Il nuovo modello offre potenziali soluzioni per il futuro

Un nuovo studiodai ricercatori dell’Università di Stanford apre la strada alla costruzione di batterie al litio-metallo migliori e più sicure.

Cugine strette delle celle ricaricabili agli ioni di litio ampiamente utilizzate nei dispositivi elettronici portatili e nelle auto elettriche, le batterie al litio-metallo sono estremamente promettenti come dispositivi di accumulo di energia di prossima generazione. Rispetto ai dispositivi agli ioni di litio, le batterie al litio-metallo contengono più energia, si caricano più velocemente e pesano notevolmente meno.

Ad oggi, però, l’uso commerciale delle batterie ricaricabili al litio-metallo è stato limitato. Uno dei motivi principali è la formazione di “dendriti”, strutture sottili, metalliche, simili ad alberi, che crescono man mano che il litio metallico si accumula sugli elettrodi all’interno della batteria. Questi dendriti degradano le prestazioni della batteria e alla fine portano a guasti che, in alcuni casi, possono persino innescare pericolosi incendi.

Il nuovo studio ha affrontato questo problema dei dendriti da una prospettiva teorica. Come descritto nell’articolo, pubblicato sul Journal of The Electrochemical Society, i ricercatori di Stanford hanno sviluppato un modello matematico che riunisce la fisica e la chimica coinvolte nella formazione dei dendriti.

Questo modello ha offerto l’intuizione che lo scambio di nuovi elettroliti – il mezzo attraverso il quale gli ioni di litio viaggiano tra i due elettrodi all’interno di una batteria – con determinate proprietà potrebbe rallentare o addirittura arrestare del tutto la crescita dei dendriti.

"Lo scopo del nostro studio è quello di aiutare a guidare la progettazione di batterie al litio-metallo con una durata di vita più lunga", ha affermato l'autore principale dello studio Weiyu Li, uno studente di dottorato in ingegneria delle risorse energetiche co-consulente dai professori Daniel Tartakovsky e Hamdi Tchelepi. “Il nostro quadro matematico tiene conto dei principali processi chimici e fisici nelle batterie al litio-metallo su scala appropriata”.

"Questo studio fornisce alcuni dettagli specifici sulle condizioni in cui possono formarsi i dendriti, nonché sui possibili percorsi per sopprimere la loro crescita", ha affermato il coautore dello studio Tchelepi, professore di ingegneria delle risorse energetiche presso la School of Earth, Energy & & Energy di Stanford. Scienze ambientali (Stanford Terra).

Gli sperimentali hanno cercato a lungo di comprendere i fattori che portano alla formazione dei dendriti, ma il lavoro di laboratorio è impegnativo e i risultati si sono rivelati difficili da interpretare. Riconoscendo questa sfida, i ricercatori hanno sviluppato una rappresentazione matematica dei campi elettrici interni delle batterie e del trasporto degli ioni di litio attraverso il materiale elettrolitico, insieme ad altri meccanismi rilevanti.

Con i risultati dello studio in mano, gli sperimentali possono concentrarsi su combinazioni di materiali e architettura fisicamente plausibili. "La nostra speranza è che altri ricercatori possano utilizzare questa guida del nostro studio per progettare dispositivi che abbiano le giuste proprietà e riducano la gamma di variazioni sperimentali per tentativi ed errori che devono fare in laboratorio", ha detto Tchelepi.

Nello specifico, le nuove strategie per la progettazione degli elettroliti richieste dallo studio includono la ricerca di materiali anisotropi, nel senso che presentano proprietà diverse in direzioni diverse. Un classico esempio di materiale anisotropo è il legno, che è più resistente nella direzione delle venature, visibile come linee nel legno, rispetto a quella contro le venature. Nel caso degli elettroliti anisotropi, questi materiali potrebbero mettere a punto la complessa interazione tra trasporto ionico e chimica interfacciale, contrastando l’accumulo che precede la formazione dei dendriti. Alcuni cristalli liquidi e gel mostrano queste caratteristiche desiderate, suggeriscono i ricercatori.

Un altro approccio identificato dallo studio è incentrato sui separatori delle batterie: membrane che impediscono agli elettrodi alle estremità opposte della batteria di toccarsi e cortocircuitarsi. Potrebbero essere progettati nuovi tipi di separatori dotati di pori che fanno sì che gli ioni di litio passino avanti e indietro attraverso l’elettrolita in modo anisotropo.

Il team attende con impazienza di vedere altri ricercatori scientifici dare seguito alle “piste” identificate nel loro studio. I prossimi passi riguarderanno la produzione di dispositivi reali che si basano su nuove formulazioni sperimentali di elettroliti e architetture di batterie, quindi la sperimentazione di quelli che potrebbero rivelarsi efficaci, scalabili ed economici.