Batterie al litio da oltre 700 Wh/kg e operative a −50 °C: dalla Cina un elettrolita che cambia le regole del gioco

Prestazioni oltre i limiti attuali e funzionamento garantito fino a −50 °C. È quanto dimostra uno studio guidato da un team della Nankai University, che ha sviluppato un nuovo elettrolita per batterie al litio basato su solventi HFC (idrofluorocarburi) monofluorurati. I risultati, pubblicati su Nature, indicano densità energetiche superiori a 700 Wh/kg a temperatura ambiente e circa 400 Wh/kg a −50 °C, valori nettamente superiori rispetto alle celle oggi impiegate nei veicoli elettrici, che si attestano in genere tra 250 e 270 Wh/kg.

L'elettrolita svolge un ruolo centrale nei dispositivi di accumulo elettrochimico: trasporta la carica tra anodo e catodo grazie a solventi in grado di sciogliere i sali di litio. I sistemi tradizionali utilizzano leganti a base di ossigeno e azoto, materiali che tendono a ostacolare il trasferimento di carica all'interfaccia elettrodo-elettrolita, soprattutto in condizioni di ricarica rapida o a basse temperature. I tentativi di migliorarne le proprietà hanno spesso portato a un aumento della viscosità o a un peggioramento delle prestazioni termiche.

La ricerca cinese ha esplorato una strada diversa: solventi HFC progettati per ottimizzare la coordinazione tra fluoro e ioni litio. Il gruppo ha sintetizzato e caratterizzato sei differenti solventi HFC, testandone il comportamento elettrochimico in celle coin e pouch su un ampio intervallo di temperature. I nuovi composti hanno mostrato una solubilità dei sali di litio superiore a 2 mol/L: viene superato, così, uno dei principali limiti attribuiti agli HFC nelle ricerche precedenti. In passato si riteneva, infatti, che gli HFC non fossero adatti come elettroliti perché non riuscivano a sciogliere abbastanza sale, fino a compromettere le prestazioni della batteria. Qui invece si dimostra che, con le giuste modifiche chimiche, la solubilità supera 2 mol/L, quindi quel limite viene superato.

Tra i solventi analizzati, 1,3-difluoropropano (DFP) ha evidenziato le caratteristiche più promettenti. L'elettrolita basato su DFP presenta viscosità pari a 0,95 cP, stabilità ossidativa oltre 4,9 V e conducibilità ionica di 0,29 mS/cm a −70 °C.

Le prove su celle pouch al litio-metallo, con quantità di elettrolita inferiori a 0,5 g Ah−1, hanno confermato le prestazioni dichiarate: oltre 700 Wh/kg a temperatura ambiente e circa 400 Wh/kg a −50 °C. Valori che aprono la strada ad applicazioni dirette in veicoli elettrici, aerospazio e sistemi di accumulo per reti elettriche in climi rigidi.

I ricercatori indicano ulteriori margini di sviluppo attraverso la modulazione del numero di atomi di carbonio e fluoro, con l'obiettivo di ottenere HFC ad alto punto di ebollizione superiore a 100 °C e compatibilità stabile con litio metallico. La chimica di coordinazione basata sul fluoro si conferma in questo modo una via per superare i limiti attuali di densità energetica e potenza nelle batterie di nuova generazione.