I ricercatori del Mellon College of Science e del College of Engineering della Carnegie Mellon University hanno sviluppato un anodo semiliquido a base di litio metallico che rappresenta un nuovo paradigma nella progettazione delle batterie. Le batterie al litio realizzate utilizzando questo nuovo tipo di elettrodo potrebbero avere una capacità maggiore ed essere molto più sicure delle tipiche batterie a base di litio metallico che utilizzano un foglio di litio come anodo.

Il team di ricerca interdisciplinare ha pubblicato i suoi risultati nell'attuale numero di Joule .

Le batterie a base di litio sono uno dei tipi più comuni di batterie ricaricabili utilizzate nell'elettronica moderna grazie alla loro capacità di immagazzinare elevate quantità di energia. Tradizionalmente, queste batterie sono costituite da elettroliti liquidi combustibili e due elettrodi, un anodo e un catodo, che sono separati da una membrana. Dopo che una batteria è stata caricata e scaricata ripetutamente, filamenti di litio chiamati dendriti possono crescere sulla superficie dell'elettrodo. I dendriti possono perforare la membrana che separa i due elettrodi. Ciò consente il contatto tra anodo e catodo, che può causare il cortocircuito della batteria e, Nel peggiore dei casi, prendere fuoco.

"L'incorporazione di un anodo di litio metallico nelle batterie agli ioni di litio ha il potenziale teorico di creare una batteria con una capacità molto maggiore di una batteria con un anodo di grafite, " disse Krzysztof Matyjaszewski, J.C. Warner University Professor di Scienze Naturali presso il Dipartimento di Chimica di Carnegie Mellon. "Ma, la cosa più importante che dobbiamo fare è assicurarci che la batteria che creiamo sia sicura".

Una soluzione proposta per gli elettroliti liquidi volatili utilizzati nelle batterie attuali è di sostituirli con elettroliti ceramici solidi. Questi elettroliti sono altamente conduttivi, non combustibile e abbastanza forte da resistere ai dendriti. Però, i ricercatori hanno scoperto che il contatto tra l'elettrolita ceramico e un solido anodo di litio è insufficiente per immagazzinare e fornire la quantità di energia necessaria per la maggior parte dei dispositivi elettronici.

Sipei Li, uno studente di dottorato nel Dipartimento di Chimica di Carnegie Mellon, e Han Wang, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Carnegie Mellon, sono stati in grado di superare questa mancanza creando una nuova classe di materiale che può essere utilizzato come anodo metallico semiliquido.

Lavorando con Matyjaszewski del Mellon College of Science, leader nella chimica dei polimeri e nella scienza dei materiali, e Jay Whitacre, Professore Fiduciario in Energia presso il College of Engineering e direttore del Wilton E. Scott Institute for Energy Innovation presso Carnegie Mellon, rinomato per il suo lavoro nello sviluppo di nuove tecnologie per lo stoccaggio e la generazione di energia, Li e Wang hanno creato una matrice composita polimero/carbonio a doppia conduttività con microparticelle di litio distribuite uniformemente. La matrice rimane fluida a temperatura ambiente, che gli consente di creare un livello sufficiente di contatto con l'elettrolita solido. Combinando l'anodo metallico semiliquido con un elettrolita ceramico solido a base di granato, sono stati in grado di far circolare la cella a una densità di corrente 10 volte superiore rispetto alle celle con un elettrolita solido e un tradizionale anodo a lamina di litio. Questa cella aveva anche un ciclo di vita molto più lungo rispetto alle celle tradizionali.

"Questo nuovo percorso di elaborazione porta a un anodo della batteria a base di litio metallico che è fluido e ha una sicurezza e prestazioni molto interessanti rispetto al normale metallo al litio. L'implementazione di nuovo materiale come questo potrebbe portare a un cambiamento di passo nelle batterie ricaricabili a base di litio, e stiamo lavorando duramente per vedere come funziona in una gamma di architetture di batterie, " disse Whitacre.

I ricercatori ritengono che il loro metodo potrebbe avere impatti di vasta portata. Per esempio, potrebbe essere utilizzato per creare batterie ad alta capacità per veicoli elettrici e batterie specializzate per l'uso in dispositivi indossabili che richiedono batterie flessibili. Ritengono inoltre che i loro metodi potrebbero essere estesi oltre il litio ad altri sistemi di batterie ricaricabili, comprese le batterie al sodio-metallo e le batterie al potassio-metallo e potrebbero essere utilizzate nello stoccaggio di energia su scala di rete.