Solido

Una nuova batteria al litio completamente allo stato solido non solo può immagazzinare quasi il doppio dell’energia di una batteria standard agli ioni di litio, ma non è nemmeno incline a prendere fuoco come le sue controparti commerciali attuali. Il segreto del successo di questo nuovo prototipo? Liberarsi di uno dei soliti elettrodi di una batteria, scopre un nuovo studio.

Le batterie convenzionali forniscono elettricità attraverso reazioni chimiche tra due elettrodi: l’anodo carico negativamente, dove gli elettroni fuoriescono dalla batteria, e il catodo carico positivamente, dove gli elettroni possono entrare nella batteria. Gli elettrodi di una tipica batteria agli ioni di litio sono costituiti da sostanze le cui strutture possono immagazzinare e rilasciare ioni di litio caricati elettricamente. L'anodo è spesso costituito da grafite, mentre il catodo è molto spesso un ossido metallico. Questi materiali degli elettrodi sono rivestiti su lamine metalliche che raccolgono la corrente generata: per l'anodo, questo metallo è spesso rame e per il catodo, alluminio.

Gli elettrodi nelle batterie agli ioni di litio interagiscono tipicamente attraverso elettroliti liquidi o gel. Le batterie tutte allo stato solido utilizzano invece elettroliti solidi costituiti da materiali come la ceramica.

Gli elettroliti solidi sono più compatti degli elettroliti liquidi o gel. Ciò significa che le batterie interamente allo stato solido possono produrre più energia rispetto alle batterie convenzionali a parità di peso o spazio. Inoltre, le batterie al litio completamente allo stato solido sono molto più sicure rispetto alle loro controparti convenzionali, che utilizzano elettroliti liquidi organici che sono generalmente infiammabili.

Molto rimane incerto per quanto riguarda il modo migliore per creare una batteria allo stato solido stabile, utile. Ad esempio, ricerche precedenti avevano scoperto che gli elettroliti solidi a base di solfuro potrebbero aiutare a creare batterie in grado di immagazzinare molta energia. Tuttavia, i solfuri presenti in questi elettroliti possono reagire con entrambi gli elettrodi, generando composti che impediscono il flusso di elettricità all’interno delle batterie.

Un modo in cui gli scienziati hanno cercato di migliorare le batterie completamente allo stato solido è sostituendo i loro anodi di grafite convenzionali esclusivamente con un collettore di corrente in lamina di rame. Questa strategia potrebbe aumentare in modo significativo la quantità di energia che queste batterie potrebbero contenere. "In effetti stai eliminando metà del materiale interno della batteria", afferma l'autore senior dello studio David Mitlin, scienziato dei materiali presso l'Università del Texas ad Austin. Utilizzando meno materiale si riducono anche i costi, aggiunge.

Tuttavia, una sfida chiave che la ricerca sulle batterie allo stato solido e prive di anodi ha dovuto affrontare è il problema che devono affrontare attraversando cicli di scarica e ricarica in modo stabile. Ora, in un nuovo studio, i ricercatori dimostrano che un nuovo rivestimento potrebbe superare questo problema.

Gli scienziati hanno sperimentato una batteria allo stato solido, priva di anodi, con un elettrolita solido a base di solfuro. Hanno esplorato il rivestimento del collettore di corrente in rame con tellurio ultrasottile attivato al litio. L'obiettivo era controllare il modo in cui il litio metallico si diffondeva o "bagnava" il rame. Hanno scoperto che questo nuovo rivestimento aiuta il litio metallico a depositarsi e a dissolversi dal collettore di corrente in rame in uno strato sottile e uniforme.

Senza questo nuovo rivestimento, i ricercatori hanno scoperto che il foglio di rame si ricopriva di strutture microscopiche irregolari durante la ricarica e la scarica. Questi includono dendriti appuntiti che "possono, e causeranno, portare a cortocircuiti della batteria tra l'anodo e il catodo, che a loro volta possono causare incendi della batteria", afferma Mitlin. Includono anche grumi di "metallo morto" e croste di materiale a nido d'ape che ostacolavano le prestazioni della batteria. "È come avere un motore coperto da uno spesso strato di ruggine all'interno", afferma.

La nuova batteria può contenere il 72% in più di energia in peso e il 95% in più di energia in volume rispetto alle batterie commerciali agli ioni di litio. I ricercatori sottolineano che potrebbero produrre il nuovo rivestimento su questi collettori di corrente in rame utilizzando tecniche di fabbricazione standard. Ciò potrebbe contribuire a rendere più semplice l’incremento della produzione di queste nuove batterie, aggiungono.