Le batterie agli ioni di litio sono note per lo sviluppo di cortocircuiti elettrici interni che possono incendiare gli elettroliti liquidi di una batteria, provocando esplosioni e incendi. Gli ingegneri dell'Università dell'Illinois hanno sviluppato un elettrolita solido a base di polimeri che può auto-ripararsi dopo un danno e il materiale può anche essere riciclato senza l'uso di prodotti chimici aggressivi o alte temperature.

Il nuovo studio, che potrebbe aiutare i produttori a produrre riciclabili, batterie commerciali autorigeneranti, è pubblicato in Giornale della Società Chimica Americana .

Poiché le batterie agli ioni di litio passano attraverso più cicli di carica e scarica, si sviluppano minuscoli, strutture ramificate di litio solido chiamate dendriti, hanno detto i ricercatori. Queste strutture riducono la durata della batteria, causare hotspot e cortocircuiti elettrici, e talvolta diventano abbastanza grandi da forare le parti interne della batteria, provocando reazioni chimiche esplosive tra gli elettrodi e i liquidi elettrolitici.

C'è stata una spinta da parte di chimici e ingegneri a sostituire gli elettroliti liquidi nelle batterie agli ioni di litio con materiali solidi come ceramiche o polimeri, hanno detto i ricercatori. Però, molti di questi materiali sono rigidi e fragili con conseguente scarso contatto elettrolita-elettrodo e ridotta conduttività.

"I polimeri conduttori di ioni solidi sono un'opzione per lo sviluppo di elettroliti non liquidi, " ha detto Brian Jing, uno studente laureato in scienze dei materiali e ingegneria e coautore di studi. "Ma le condizioni di alta temperatura all'interno di una batteria possono sciogliere la maggior parte dei polimeri, ancora una volta con conseguente dendriti e fallimento."

Studi precedenti hanno prodotto elettroliti solidi utilizzando una rete di fili polimerici che sono reticolati per formare un conduttore di litio gommoso. Questo metodo ritarda la crescita dei dendriti; però, questi materiali sono complessi e non possono essere recuperati o guariti dopo un danno, ha detto Jing.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un elettrolita polimerico di rete in cui il punto di reticolazione può subire reazioni di scambio e scambiare filamenti polimerici. A differenza dei polimeri lineari, queste reti in realtà diventano più rigide con il riscaldamento, che può potenzialmente ridurre al minimo il problema dei dendriti, hanno detto i ricercatori. Inoltre, possono essere facilmente scomposti e risolti in una struttura in rete dopo il danno, rendendoli riciclabili, e ripristinano la conduttività dopo essere stati danneggiati perché sono autorigeneranti.

"Questo nuovo polimero di rete mostra anche la notevole proprietà che sia la conduttività che la rigidità aumentano con il riscaldamento, che non si vede negli elettroliti polimerici convenzionali, " ha detto Jing.

"La maggior parte dei polimeri richiede acidi forti e alte temperature per decomporsi, " ha detto il professore di scienza dei materiali e ingegneria e autore principale Christopher Evans. "Il nostro materiale si dissolve in acqua a temperatura ambiente, rendendolo un processo molto efficiente dal punto di vista energetico e rispettoso dell'ambiente."

Il team ha sondato la conduttività del nuovo materiale e ha scoperto che il suo potenziale come efficace elettrolita per batterie è promettente, i ricercatori hanno detto, ma riconosci che è necessario più lavoro prima che possa essere utilizzato in batterie paragonabili a quelle in uso oggi.

"Penso che questo lavoro rappresenti una piattaforma interessante da testare per gli altri, "Ha detto Evans. "Abbiamo usato una chimica molto specifica e un legame dinamico molto specifico nel nostro polimero, ma pensiamo che questa piattaforma possa essere riconfigurata per essere utilizzata con molte altre sostanze chimiche per modificare la conduttività e le proprietà meccaniche".