Estendere il basso

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4934 (2022) Citare questo articolo

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Le batterie non acquose a base di sodio sono candidati ideali per la prossima generazione di dispositivi di accumulo di energia elettrochimica. Tuttavia, nonostante le prestazioni promettenti a temperatura ambiente, il loro funzionamento a bassa temperatura (ad esempio, < 0 °C) è influenzato negativamente dall'aumento della resistenza dell'elettrolita e dall'instabilità dell'interfase dell'elettrolita solido (SEI). Qui, per aggirare questi problemi, proponiamo formulazioni elettrolitiche specifiche comprendenti solventi lineari e ciclici a base di etere e sale trifluorometansolfonato di sodio che sono termicamente stabili fino a -150 ° C e consentono la formazione di un SEI stabile a basse temperature. Quando testati nella configurazione delle celle a bottone Na||Na, gli elettroliti a bassa temperatura consentono cicli a lungo termine fino a −80 °C. Attraverso misurazioni di elettrodi fisico-chimici ex situ (ad esempio, spettroscopia fotoelettronica a raggi X, microscopia elettronica a trasmissione criogenica e microscopia a forza atomica) e calcoli della teoria del funzionale della densità, indaghiamo i meccanismi responsabili di prestazioni elettrochimiche efficienti a bassa temperatura. Riportiamo anche l'assemblaggio e il test tra −20 °C e −60 °C di pile a bottone complete Na||Na3V2(PO4)3. La cella testata a −40 °C mostra una capacità di scarica iniziale di 68 mAh g−1 con una ritenzione di capacità di circa il 94% dopo 100 cicli a 22 mA g−1.

Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono state ampiamente utilizzate nei dispositivi elettronici portatili e nei veicoli elettrici a causa della loro elevata densità di energia e del lungo ciclo di vita1,2,3. Tuttavia, soffrono inevitabilmente di gravi perdite di energia/potenza in ambienti freddi, soprattutto quando la temperatura scende sotto i −20 °C4,5. Tali scarse prestazioni alle basse temperature ne limitano l'applicazione nelle missioni aeronautiche/spaziali, nelle spedizioni polari e in molte strutture militari e civili nelle regioni fredde, in cui è richiesta una temperatura operativa della batteria inferiore a −40 °C4,6.

La ricerca di un sistema con caratteristiche interessanti di stoccaggio dell’energia elettrochimica oltre alle tecnologie basate sul litio sarebbe promettente per affrontare le sfide associate al funzionamento a bassa temperatura. Essendo un metallo alcalino, il sodio (Na) si distingue perché condivide molte proprietà chimiche e fisiche con il litio pur essendo sostanzialmente più abbondante in natura7,8,9. Il Na ha un'energia di prima ionizzazione inferiore rispetto al Li (495,8 contro 520,2 kJ mol−1)10, il che può contribuire a migliorare la reattività chimica/elettrochimica e facilitare le reazioni elettrochimiche in ambienti freddi. Il Na metallico svolge un ruolo cruciale come materiale anodico per le batterie al Na a causa del suo basso potenziale dell'elettrodo (−2,714 V rispetto all'elettrodo a idrogeno standard) e dell'elevata capacità specifica teorica (1166 mAh g−1)7,8,9,11,12 ,13,14. Tuttavia, lo studio delle batterie al Na a basse temperature è stato limitato e, in particolare, manca in gran parte la comprensione del comportamento del Na metallico come elettrodo15,16,17,18.

L'abilitazione del funzionamento della batteria a bassa temperatura dipende fortemente dalla natura dell'elettrolita19,20,21,22. La resistenza dell'elettrolita aumenta rapidamente al diminuire della temperatura a causa dei punti di congelamento/fusione relativamente elevati dei solventi carbonatici non acquosi e della ridotta solubilità dei sali conduttori5,19. Inoltre, l’interfase dell’elettrolita solido (SEI) formata a temperatura ambiente potrebbe non essere in grado di mantenere le stesse capacità protettive in condizioni fredde per consentire un ciclo efficiente. Nel frattempo, l’evoluzione strutturale e compositiva a bassa temperatura del SEI formato sull’elettrodo metallico Na rimane ancora sfuggente.

Una soluzione praticabile per aggirare questi problemi è formulare elettroliti mirati al funzionamento a bassa temperatura utilizzando solventi con bassi punti di fusione e sali in grado di formare un SEI stabile. Qui, applicando tale strategia elettrolitica, dimostriamo che una soluzione elettrolitica comprendente un solvente etereo aciclico e un sale di Na compatibile può estendere la temperatura operativa del Na metallico a −40 °C. Si è scoperto che il sale trifluorometansolfonato (OTf) svolge un ruolo fondamentale nel consentire la formazione di un SEI stabile a basse temperature. Inoltre, l'aggiunta di un solvente etereo ciclico per preparare una soluzione elettrolitica a solvente binario può espandere la soglia di temperatura di termostabilità fino a −150 °C. Dimostriamo la placcatura/strippatura stabile del Na metallico in celle simmetriche a basse temperature fino a -80 °C, esibendo un basso sovrapotenziale di ~150 mV per oltre 750 ore. Questa prestazione espande la capacità operativa a bassa temperatura degli elettrodi di metalli alcalini in soluzioni elettrolitiche non acquose (vedere la Figura 1 supplementare e la Tabella 1 supplementare per un confronto con lo stato dell'arte). Le caratterizzazioni sperimentali accoppiate (ad esempio, spettroscopia fotoelettronica a raggi X, microscopia elettronica a trasmissione criogenica e microscopia a forza atomica) e i calcoli della teoria del funzionale della densità consentono una comprensione delle caratteristiche meccanicistiche che consentono prestazioni elettrochimiche efficienti a bassa temperatura. Vengono assemblate anche celle a bottone completamente Na||Na3V2(PO4)3 e vengono testate tra −20 °C e −60 °C. Le celle testate a −40 °C e −60 °C mostrano capacità di scarica iniziale di ~68 e 39 mAh g−1, rispettivamente, con ritenzioni di capacità di ~94% e 91% dopo 100 cicli a 22 mA g−1.