La maggior parte delle batterie agli ioni di litio di oggi, che alimentano tutto, dalle auto ai telefoni, utilizzare un liquido come elettrolita tra due elettrodi. L'utilizzo di un elettrolita solido potrebbe invece offrire importanti vantaggi sia per la sicurezza che per la capacità di accumulo di energia, ma i tentativi per farlo hanno dovuto affrontare sfide inaspettate.

I ricercatori ora riferiscono che il problema potrebbe essere un'interpretazione errata di come tali batterie si guastano. Le nuove scoperte, che potrebbe aprire nuove strade per lo sviluppo di batterie al litio con elettroliti solidi, sono riportati sulla rivista Materiali energetici avanzati , in un articolo di Yet-Ming Chiang, il Kyocera Professor of Ceramics al MIT; W.Craig Carter, il Professore POSCO di Scienza e Ingegneria dei Materiali al MIT; e altri otto.

L'elettrolita in una batteria è il materiale tra gli elettrodi positivo e negativo, una sorta di riempimento nel sandwich della batteria. Ogni volta che la batteria viene caricata o scaricata, ioni (atomi o molecole caricati elettricamente) attraversano l'elettrolita da un elettrodo all'altro.

Ma questi elettroliti liquidi possono essere infiammabili, e sono stati responsabili di alcuni incendi causati da tali batterie. Sono anche inclini alla formazione di dendriti, sottili, proiezioni di metallo simili a dita che si accumulano da un elettrodo e, se arrivano fino all'altro elettrodo, può creare un cortocircuito che potrebbe danneggiare la batteria.

I ricercatori hanno cercato di aggirare questi problemi utilizzando un elettrolita fatto di materiali solidi, come alcune ceramiche. Questo potrebbe eliminare il problema dell'infiammabilità e offrire altri grandi vantaggi, ma i test hanno dimostrato che tali materiali tendono a funzionare in modo alquanto irregolare e sono più soggetti a cortocircuiti del previsto.

Il problema, secondo questo studio, è che i ricercatori si sono concentrati sulle proprietà sbagliate nella loro ricerca di un materiale elettrolitico solido. L'idea prevalente era che la fermezza o la morbidezza del materiale (una proprietà chiamata modulo di taglio) determinasse se i dendriti potessero penetrare nell'elettrolita. Ma la nuova analisi ha mostrato che è la levigatezza della superficie che conta di più. Intaccature e graffi microscopici sulla superficie dell'elettrolita possono fornire un punto di appoggio per i depositi metallici per iniziare a farsi strada, i ricercatori hanno scoperto.

Questo suggerisce, Chiang dice, che concentrarsi semplicemente sull'ottenimento di superfici più lisce potrebbe eliminare o ridurre notevolmente il problema della formazione di dendriti nelle batterie con un elettrolita solido. Oltre ad evitare il problema dell'infiammabilità associato agli elettroliti liquidi, questo approccio potrebbe rendere possibile l'utilizzo anche di un elettrodo di litio metallico solido. Ciò potrebbe potenzialmente raddoppiare la capacità energetica di una batteria agli ioni di litio, ovvero la sua capacità di immagazzinare energia per un dato peso, fondamentale sia per i veicoli che per i dispositivi portatili.

"La formazione di dendriti, che porta ad eventuali guasti da cortocircuito, è stata la ragione principale per cui le batterie ricaricabili al litio-metallo non sono state possibili, " spiega Chiang. (Gli elettrodi al litio sono comunemente usati nelle batterie non ricaricabili, ma questo perché i dendriti si formano solo durante il processo di carica.)

Il problema della formazione dei dendriti nelle batterie ricaricabili al litio è stato riconosciuto per la prima volta nei primi anni '70, Chiang dice, "e 45 anni dopo quel problema non è ancora stato risolto. Ma l'obiettivo è ancora allettante, " a causa della possibilità di raddoppiare la capacità di una batteria utilizzando elettrodi metallici al litio.

Negli ultimi anni, un certo numero di gruppi ha cercato di sviluppare elettroliti solidi come un modo per consentire l'uso di elettrodi di litio metallico. Ci sono due tipi principali su cui si sta lavorando, Chiang dice:solfuri di litio fosforo, e ossidi metallici. Con tutti questi sforzi di ricerca, uno dei pensieri prevalenti era che il materiale doveva essere rigido, non elastico. Ma questi materiali hanno avuto la tendenza a mostrare risultati incoerenti e confusi nei test di laboratorio.

L'idea aveva un senso, Chiang dice:un materiale più rigido dovrebbe essere più resistente a qualcosa che cerca di premere sulla sua superficie. Ma il nuovo lavoro, in cui il team ha testato campioni di quattro diverse varietà di potenziali materiali elettrolitici solidi e ha osservato i dettagli di come si sono comportati durante i cicli di carica e scarica, hanno mostrato che il modo in cui i dendriti si formano effettivamente nei materiali solidi rigidi segue un processo completamente diverso rispetto a quelli che si formano negli elettroliti liquidi.

Sulle superfici solide, il litio da uno degli elettrodi inizia a depositarsi, attraverso una reazione elettrochimica, su qualsiasi piccolo difetto che esiste sulla superficie dell'elettrolita, comprese piccole fosse, crepe, e graffi. Una volta che il deposito iniziale si forma su tale difetto, continua a costruire e, sorprendentemente, l'accumulo si estende dalla punta del dendrite, non dalla sua base, mentre si fa strada nel solido, agendo come un cuneo mentre va e aprendo una fessura sempre più ampia.

Questi materiali sono "molto sensibili al numero e alla dimensione dei difetti superficiali, non alle proprietà di massa" del materiale, dice Chiang. "È la propagazione della cricca che porta al cedimento... Ci dice che ciò su cui dovremmo concentrarci di più è la qualità delle superfici, su quanto lisci e privi di difetti possiamo realizzare questi film di elettroliti solidi."

"Credo che questo lavoro innovativo e di alta qualità ripristinerà il pensiero su come progettare pratiche batterie a stato solido al litio metallico, "dice Alan Luntz, un professore consulente per la ricerca sulle batterie metallo-aria presso la Stanford University, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "Gli autori hanno dimostrato che un meccanismo diverso governa il cortocircuito al litio metallico nelle batterie al litio a stato solido rispetto alle batterie al litio metallo liquido o polimerico dove si formano dendriti... Ciò implica che se le batterie allo stato solido al litio metallo dovessero mai avere densità di corrente pratiche, quindi è essenziale un'attenta minimizzazione di tutti i difetti strutturali all'interfaccia litio-metallo ed elettrolita, " lui dice.

Luntz aggiunge, "Lo considero un contributo estremamente importante all'obiettivo di sviluppare batterie a stato solido pratiche e sicure."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.