Le batterie agli ioni di litio sono diventate essenziali per la nostra vita quotidiana
Jul 06, 2021
Dal 1990, le batterie agli ioni di litio sono diventate essenziali per la nostra vita quotidiana e la portata delle loro applicazioni si sta attualmente espandendo dai dispositivi elettronici mobili ai veicoli elettrici, agli utensili elettrici e allo stoccaggio nella rete elettrica fissa. Il mercato in continua espansione dei prodotti elettronici portatili e le nuove esigenze del mercato dei trasporti e dello stoccaggio fisso richiedono celle con maggiore densità di energia, densità di potenza, ciclabilità e sicurezza. In breve, per ottenere prestazioni migliori. Queste nuove esigenze hanno stimolato la ricerca e l’ottimizzazione di nuovi materiali per le batterie agli ioni di litio.
Fig. 1. Numero di pubblicazioni scientifiche sul materiale LiFePO4 negli ultimi 40 anni. Fonte: Scifinder Scholar™ 2007.
Lo scopo di questo lavoro è mostrare l'evoluzione dei metodi di preparazione chimica utilizzati per sintetizzare nuovi materiali elettroattivi o per migliorare le prestazioni elettrochimiche di quelli esistenti, e confrontare il miglioramento delle prestazioni ottenuto dai nuovi
lavorazione dei materiali. Verranno in questo modo analizzati i metodi di sintesi di diversi materiali elettrodici per batterie al litio. Verranno descritti principalmente materiali catodici, come ossidi stratificati derivati da derivati dello spinello LiCoO2 o LiMn2O4. La fase Olivina LiFePO4, un materiale che, oltre ad avere il giusto voltaggio per presentare attributi di sicurezza, è costituito da elementi a basso costo e abbondanti, sarà particolarmente sottolineato per la sua straordinaria importanza negli ultimi anni (figura 1).
Negli ultimi anni, la nanoscienza ha fatto irruzione con forza nel campo dei materiali per batterie. Non solo le prestazioni dei materiali precedentemente noti sono state migliorate in modo significativo dalla nanodispersione e dalla nanostrutturazione, ma sono emersi anche nuovi materiali e reazioni elettrochimiche. Pertanto, la fabbricazione di elettrodi nanostrutturati è diventata uno degli obiettivi principali nei materiali per batterie.
Innanzitutto, le dimensioni ridotte e l’ampia superficie dei nanomateriali forniscono una maggiore area di contatto tra il materiale dell’elettrodo e l’elettrolita. In secondo luogo, la distanza che gli ioni di litio devono diffondere attraverso l’elettrodo viene ridotta. Pertanto, per gli elettrodi nanostrutturati ci si può aspettare una capacità di carica/scarica più rapida, ovvero una capacità di velocità più elevata. Per particelle molto piccole, i potenziali chimici degli ioni di litio e degli elettroni possono essere modificati, determinando un cambiamento del potenziale dell'elettrodo. Inoltre, la gamma di composizioni in cui esistono soluzioni solide è spesso più ampia per le nanoparticelle e la tensione associata all'intercalazione è spesso meglio gestita. Inoltre, negli elettrodi nanostrutturati sono apparse anche nuove reazioni elettrochimiche, come le reazioni di conversione per gli anodi. Pertanto, la morfologia e le dimensioni dei materiali degli elettrodi sono diventati un fattore chiave per le loro prestazioni e i processi di sintesi si sono evoluti verso materiali nanoarchitettonici.
Questo capitolo fornirà una panoramica sui metodi di sintesi più utilizzati dagli inizi della ricerca principale sulle batterie agli ioni di litio fino a quelli più recenti. Verrà discussa l'evoluzione delle prestazioni dei materiali dovuta ai nuovi sistemi di lavorazione.
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