Ecco la batteria al litio metallico che si carica in pochi minuti e dura migliaia di cicli
Uno studio apre la strada a batterie a stato solido migliori e che possono utilizzare diversi materiali
[11 Gennaio 2024]
Lo studio “Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials”, pubblicato su Nature Materials da Luhan Ye, Yang Lu, Yichao Wang, Jianyuan Li e Xin Li dell’Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ha sviluppato una nuova batteria al litio metallico che può essere caricata e scaricata almeno 6.000 volte e può essere ricaricata in pochi minuti.
Li sottolinea che «Le batterie agli anodi metallici al litio sono considerate il Santo Graal delle batterie perché hanno dieci volte la capacità degli anodi di grafite commerciali e potrebbero aumentare drasticamente l’autonomia di guida dei veicoli elettrici. La nostra ricerca rappresenta un passo importante verso batterie allo stato solido più pratiche per applicazioni industriali e commerciali».
Lo studio non descrive solo un nuovo modo di realizzare batterie allo stato solido con un anodo di litio metallico, ma fornisce anche una nuova comprensione dei materiali utilizzati per queste batterie potenzialmente rivoluzionarie. Una delle maggiori sfide nella progettazione di queste batterie è la formazione di dendriti sulla superficie dell’anodo. Si tratta di strutture che crescono come radici nell’elettrolita e perforano la barriera che separa l’anodo e il catodo, provocando il cortocircuito o addirittura l’incendio della batteria. I ricercatori del SEAS spiegano che «Questi dendriti si formano quando gli ioni di litio si spostano dal catodo all’anodo durante la carica, attaccandosi alla superficie dell’anodo in un processo chiamato placcatura. La placcatura sull’anodo crea una superficie irregolare e non omogenea, come la placca sui denti, e consente ai dendriti di attecchire. Una volta scaricato, il rivestimento simile a una placca deve essere rimosso dall’anodo e quando la placcatura non è uniforme, il processo di rimozione può essere lento e provocare buchi che inducono una placcatura ancora più irregolare nella carica successiva».
Nel 2021, Li e Ye hanno pubblicato su Nature lo studio “A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries” che affrontava il problema dei dendriti progettando una batteria multistrato che inserisce materiali diversi con stabilità variabile tra l’anodo e il catodo. Questo progetto multistrato e multimateriale ha impedito la penetrazione dei dendriti di litio non arrestandoli del tutto, ma controllandoli e contenendoli.
Con le scoperte illustrate nel nuovo studio, Li e il suo team impediscono la formazione di dendriti utilizzando particelle di silicio di dimensioni micron nell’anodo per restringere la reazione di litiazione e facilitare la placcatura omogenea di uno spesso strato di litio metallico. E spiegano ancora: «In questo progetto, quando gli ioni di litio si spostano dal catodo all’anodo durante la carica, la reazione di litiazione viene ristretta sulla superficie poco profonda e gli ioni si attaccano alla superficie della particella di silicio ma non penetrano ulteriormente. Questo è nettamente diverso dalla chimica delle batterie agli ioni di litio liquido in cui gli ioni di litio penetrano attraverso una reazione di litiazione profonda e alla fine distruggono le particelle di silicio nell’anodo».
Ma, in una batteria a stato solido, gli ioni sulla superficie del silicio vengono ristretti e subiscono il processo dinamico di litiazione per formare una placcatura di litio metallico attorno al nucleo di silicio. Li fa notare che «Nel nostro progetto, il litio metallico viene avvolto attorno alla particella di silicio, come un guscio di cioccolato duro attorno a un nucleo di nocciola in un tartufo di cioccolato. Queste particelle rivestite creano una superficie omogenea sulla quale la densità di corrente è distribuita uniformemente, impedendo la crescita dei dendriti. Inoltre, poiché la placcatura e la rimozione possono avvenire rapidamente su una superficie piana, la batteria può ricaricarsi in soli 10 minuti circa».
I ricercatori hanno costruito una versione a custodia della batteria delle dimensioni di un francobollo, che è da 10 a 20 volte più grande della cella a bottone prodotta nella maggior parte dei laboratori universitari e dicono che «La batteria ha mantenuto l’80% della sua capacità dopo 6.000 cicli, superando le altre batterie a custodia oggi disponibili sul mercato».
La tecnologia è stata concessa in licenza attraverso l’Harvard Office of Technology Developmentad Adden Energy, una società spin-off di Harvard cofondata da Li e da tre ex studenti di Harvard. L’impresa ha ampliato la tecnologia per costruire una batteria delle dimensioni di uno smartphone.
Inoltre, Li e il suo team hanno caratterizzato le proprietà che consentono al silicio di restringere la diffusione del litio per facilitare il processo dinamico favorendo la placcatura omogenea del litio spesso. Poi, hanno definito un descrittore di proprietà unico per descrivere questo processo e lo hanno calcolato per tutti i materiali inorganici conosciuti. Così.il team ha rivelato decine di altri materiali che potrebbero potenzialmente fornire prestazioni simili.
Li conclude: «Ricerche precedenti avevano scoperto che altri materiali, compreso l’argento, potrebbero fungere da buoni materiali per l’anodo delle batterie a stato solido. La nostra ricerca spiega un possibile meccanismo alla base del processo e fornisce un percorso per identificare nuovi materiali per la progettazione delle batterie».