La speranza è stata ripristinata per la batteria ricaricabile al litio metallico, una potenziale centrale elettrica relegata per decenni al laboratorio a causa della sua breve aspettativa di vita e dell'occasionale morte infuocata mentre il suo fratello ricaricabile, la batteria agli ioni di litio, ora rastrella più di 30 miliardi di dollari l'anno.

Un nuovo rivestimento potrebbe rendere le batterie leggere al litio metallico sicure e di lunga durata, una manna per lo sviluppo di veicoli elettrici di nuova generazione. (Credito immagine:Shutterstock)

Un team di ricercatori della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory ha inventato un rivestimento che supera alcuni dei difetti della batteria, descritto in un articolo pubblicato il 26 agosto in Joule .

Nei test di laboratorio, il rivestimento ha notevolmente prolungato la durata della batteria. Ha anche affrontato il problema della combustione limitando notevolmente le minuscole strutture aghiformi, o dendriti, che perforano il separatore tra i lati positivo e negativo della batteria. Oltre a rovinare la batteria, i dendriti possono creare un cortocircuito all'interno del liquido infiammabile della batteria. Le batterie agli ioni di litio occasionalmente hanno lo stesso problema, ma fino ad oggi i dendriti non sono stati un punto di partenza per le batterie ricaricabili al litio metallico.

"Stiamo affrontando il Santo Graal delle batterie al litio metallico, " disse Zhenan Bao, professore di ingegneria chimica, che è autore senior del documento insieme a Yi Cui, professore di scienza e ingegneria dei materiali e di scienza dei fotoni allo SLAC. Bao ha aggiunto che i dendriti hanno impedito l'uso delle batterie al litio metallico in quella che potrebbe essere la prossima generazione di veicoli elettrici.

La promessa

Le batterie al litio metallico possono contenere almeno un terzo in più di potenza per libbra rispetto alle batterie agli ioni di litio e sono significativamente più leggere perché utilizzano litio leggero per l'estremità caricata positivamente anziché grafite più pesante. Se fossero più affidabili, queste batterie potrebbero avvantaggiare l'elettronica portatile dai computer portatili ai telefoni cellulari, ma la vera paga sporco, Cui ha detto, sarebbe per le auto. Il più grande ostacolo per i veicoli elettrici è che le loro batterie spendono circa un quarto della loro energia per il trasporto. Questo arriva al cuore della gamma e dei costi dei veicoli elettrici.

"La capacità delle batterie convenzionali agli ioni di litio è stata sviluppata quasi al limite possibile, " ha detto lo studente di dottorato di Stanford David Mackanic, co-autore principale dello studio. "Così, è fondamentale sviluppare nuovi tipi di batterie per soddisfare gli aggressivi requisiti di densità energetica dei moderni dispositivi elettronici".

Il team di Stanford e SLAC ha testato il loro rivestimento sull'estremità caricata positivamente, chiamata anodo, di una batteria standard al litio metallico, che è dove tipicamente si formano i dendriti. In definitiva, hanno combinato i loro anodi appositamente rivestiti con altri componenti disponibili in commercio per creare una batteria completamente operativa. Dopo 160 cicli, le loro celle al litio metallico fornivano ancora l'85 percento della potenza che avevano nel loro primo ciclo. Le normali celle al litio metallico forniscono circa il 30 percento dopo così tanti cicli, rendendoli quasi inutili anche se non esplodono.

Il nuovo rivestimento impedisce la formazione di dendriti creando una rete di molecole che forniscono ioni di litio carichi all'elettrodo in modo uniforme. Previene le reazioni chimiche indesiderate tipiche di queste batterie e riduce anche l'accumulo di sostanze chimiche sull'anodo, che devasta rapidamente la capacità della batteria di fornire energia.

"Il nostro nuovo design del rivestimento rende le batterie al litio metallico stabili e promettenti per un ulteriore sviluppo, " ha detto l'altro co-autore principale, Stanford Ph.D. studente Zhiao Yu.

Il gruppo sta ora perfezionando il design del rivestimento per aumentare la ritenzione della capacità e testare le celle su più cicli.

"Anche se l'uso nei veicoli elettrici può essere l'obiettivo finale, " disse Cui, "La commercializzazione probabilmente inizierà con l'elettronica di consumo per dimostrare prima la sicurezza della batteria".