Il metallo di litio è uno dei candidati più promettenti per gli anodi delle batterie di nuova generazione grazie alla sua capacità specifica eccezionalmente elevata. Però, il suo uso diffuso è ostacolato da un ostacolo impegnativo:su più cicli di carica-scarica, filamenti frattali chiamati dendriti possono crescere attraverso l'elettrolita dall'elettrodo negativo a quello positivo e cortocircuitare la batteria dall'interno, ponendo così un grave problema di sicurezza.

In un articolo pubblicato su Materiali della natura , Venkat Viswanathan, professore associato presso il dipartimento di ingegneria meccanica della Carnegie Mellon, e i suoi coautori hanno affrontato questo problema studiando come un conduttore a ioni solidi (SIC), un componente che può essere utilizzato come separatore tra l'anodo e l'elettrolita, può prevenire i dendriti.

Per prima cosa hanno ideato un modello teorico per stabilire le regole di progettazione a cui i SIC devono obbedire per ottenere la stabilità del ciclo di elettrodeposizione. Da questo modello, hanno appreso che questa stabilità dipende principalmente da due proprietà del SIC:il suo modulo di taglio, una misura di rigidità, e il volume occupato da uno ione di litio mentre si muove attraverso il SIC.

I materiali con modulo di taglio basso e volume di litio ridotto sopprimono i dendriti, mentre i materiali ad alto modulo e grande volume di litio li bloccano. Ciò dà origine a due regioni di stabilità:una che sopprime i dendriti, e un dendrite-blocking. Mentre il regime di blocco dei dendriti era già ben noto e studiato nel campo dell'elettrochimica, il dominio che sopprime i dendriti non era ancora stato esplorato.

Vedendo il vasto oceano di opportunità per i progressi scientifici all'interno di questa regione di stabilità precedentemente non riconosciuta, attraverso la collaborazione con il gruppo di Brett Helms al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), il team ha progettato un SIC composito a base di polimeri progettato specificamente per sondare questo regime di soppressione dei dendriti e convalidare la loro ipotesi.

Utilizzando una serie di tecniche sia computazionali che sperimentali, hanno dimostrato che questo nuovo materiale, accedendo a un dominio di stabilità precedentemente sconosciuto, può infatti aggirare l'ostacolo della dendrite che ossessiona l'uso del litio metallico come anodo ad alta capacità.

Il loro lavoro può fungere da trampolino di lancio per ulteriori progressi verso le batterie di prossima generazione, necessario per alimentare nuove entusiasmanti tecnologie come le auto volanti.

La carta, intitolato "Regole universali di progettazione chemiomeccanica per conduttori di ioni solidi per prevenire la formazione di dendriti nelle batterie al litio metallico, " è stato pubblicato in Materiali della natura ad aprile 2020.