Elettrodo per batteria innovativo in schiuma di stagno

Gli elettrodi metallici nelle batterie agli ioni di litio promettono capacità significativamente più elevate rispetto ai tradizionali elettrodi di grafite. Purtroppo si degradano a causa dello stress meccanico durante i cicli di carica e scarica. Ora un team dell'HZB ha dimostrato che una schiuma altamente porosa realizzata in stagno riesce ad assorbire molto meglio lo stress meccanico durante i cicli di carica. Ciò rende le schiume di stagno interessanti come potenziale materiale per le batterie al litio.

Le moderne batterie agli ioni di litio utilizzano solitamente un elettrodo multistrato in grafite, mentre il controelettrodo è spesso costituito da ossido di cobalto. Durante la carica e la scarica, gli ioni di litio migrano nella grafite senza causare significative variazioni di volume nel materiale. Tuttavia, la capacità della grafite è limitata, il che rende la ricerca di materiali alternativi un campo di ricerca entusiasmante. Gli elettrodi metallici, come quelli realizzati in alluminio o stagno, offrono potenzialmente una capacità maggiore. Tuttavia, quando il litio viene assorbito, tende ad aumentare notevolmente il suo volume, il che è associato a cambiamenti strutturali e affaticamento del materiale.

Un'opzione per creare elettrodi metallici che si affaticano meno rapidamente è la nanostrutturazione delle sottili lamine metalliche. Un'altra opzione è l'uso di schiume metalliche porose. Lo stagno è un metallo particolarmente interessante perché ha una capacità per chilogrammo quasi tre volte superiore a quella della grafite e non è una materia prima rara, ma è ampiamente disponibile.

Un team di ricerca dell'Helmholtz-Zentrum di Berlino (HZB) ha ora studiato diversi tipi di elettrodi di stagno durante il processo di scarica e carica utilizzando l'imaging a raggi X operando e ha sviluppato un approccio innovativo per affrontare questo problema. Parte di queste indagini si è svolta presso la BAMline del BESSY II. Inoltre, in collaborazione con gli esperti di imaging, il dott. Nikolai Kardjilov e il dott. André Hilger all'HZB. "In questo modo, siamo stati in grado di tracciare i cambiamenti strutturali negli elettrodi a base di metallo Sn studiati durante i processi di carica/scarica", afferma il dott. Bouchra Bouabadi, che ha condotto lo studio sperimentale. In collaborazione con l'esperto di batterie Dr. Sebastian Risse mostra come la morfologia degli elettrodi di stagno cambia durante il funzionamento a causa dell'assorbimento disomogeneo degli ioni di litio.

La versione migliore dell'elettrodo di stagno è stata realizzata dal dott. Francisco Garcia-Moreno: Una schiuma di stagno con innumerevoli pori di dimensioni micrometriche. "Siamo stati in grado di dimostrare che in una schiuma di stagno di questo tipo si verifica uno stress meccanico significativamente inferiore durante l'espansione del volume", afferma il dott. crepe. Ciò rende le schiume di stagno interessanti come potenziale materiale per le batterie al litio.

Garcia-Moreno ha già studiato numerose schiume metalliche, tra cui quelle per i componenti dell'industria automobilistica e le schiume di alluminio per gli elettrodi delle batterie. "Le schiume di stagno che abbiamo sviluppato alla TU di Berlino sono altamente porose e rappresentano un'alternativa interessante ai materiali tradizionali per elettrodi", afferma. La strutturazione delle schiume di stagno è fondamentale per massimizzare la riduzione dello stress meccanico. La tecnologia della schiuma di stagno potrebbe rivelarsi interessante anche dal punto di vista economico: "Sebbene la schiuma di stagno sia più costosa della tradizionale carta stagnola, offre un'alternativa più conveniente alla costosa nanostrutturazione, riuscendo al tempo stesso a immagazzinare molti più ioni di litio, consentendo così un aumento della capacità".