Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono un tipo comune di batterie ricaricabili. La loro natura versatile e le numerose applicazioni in tutti i tipi di dispositivi elettronici, dai telefoni cellulari alle automobili, li fa sembrare troppo belli per essere veri. E forse lo sono:recentemente, c'è stato un aumento del numero di incidenti legati agli incendi associati ai LIB, soprattutto durante la ricarica, causando serie preoccupazioni per la loro sicurezza. Gli scienziati ora sanno che questi incidenti possono essere dovuti all'uso di un caricabatterie rotto o non autorizzato. Spesso, l'uso improprio di questi caricabatterie e il sovraccarico può portare alla formazione di strutture appuntite sull'elettrodo negativo della batteria, chiamato "litio (Li) dendriti, " che penetrano attraverso la barriera tra gli elettrodi negativo e positivo e causano un cortocircuito. Pertanto, osservare esattamente come avviene la formazione dei dendriti è fondamentale per migliorare la sicurezza dei LIB.

Scienziati dell'Università di Okayama, guidato dal Professore Associato Kazuma Gotoh, recentemente compiuto un passo in questa direzione, in un nuovo studio pubblicato su Journal of Materials Chemistry A . Hanno approfondito la ricerca del meccanismo preciso di formazione dei dendriti nei LIB, nel tentativo di superare i loro limiti e rendere più facile la loro applicazione pratica. Il dottor Gotoh spiega, "Volevamo analizzare la formazione di dendriti metallici nelle batterie secondarie (ricaricabili) e contribuire a migliorare la sicurezza delle batterie".

Precedenti studi che hanno cercato di comprendere il processo di formazione della Li-dendrite hanno avuto successo in una certa misura:hanno rivelato che quando la batteria è in uno stato di sovraccarico, la formazione dei dendriti avviene nella fase di sovralitiazione del ciclo della batteria. Ma, questi esperimenti sono stati eseguiti ex situ (al di fuori dell'ambiente elettrochimico attuale), e quindi l'ora esatta dell'inizio della formazione dei dendriti non è stata trovata. Nel loro nuovo studio, Il Dr. Gotoh e il suo team hanno deciso di superare questa limitazione. Hanno capito che applicando metodi operando (che replicano l'ambiente elettrochimico) a una tecnica analitica chiamata risonanza magnetica nucleare (NMR), possono tracciare con precisione gli atomi di Li nella struttura interna dei materiali, che non è possibile quando si utilizzano metodi ex situ.

Utilizzando questa tecnica, il team era riuscito in precedenza a osservare gli stati di sovraccarico di due tipi di elettrodi negativi, elettrodi di grafite e di carbonio duro, nella fase di sovralitiazione di un LIB. Nel nuovo studio, hanno portato questo al livello successivo osservando lo stato di questi elettrodi durante il processo di litiazione e delithiation (il ciclo di carica e scarica della batteria). La loro analisi NMR li ha aiutati a tenere traccia del tempo preciso di inizio della formazione dei dendriti e della deposizione di Li nella batteria sovraccarica, sia per gli elettrodi di grafite che di carbonio duro. In grafite, hanno scoperto che i dendriti di Li si formano subito dopo che si è verificata la fase completamente litiata dell'elettrodo. Nell'elettrodo di carbonio duro, al contrario, hanno osservato che i dendriti si formano solo dopo che i cluster di Li quasi metallici si sono formati nei pori del carbonio duro. Così, gli scienziati hanno dedotto che quando la batteria è sovraccaricata, la formazione di cluster di Li quasimetallici funge da tampone per la formazione di dendriti di Li in elettrodi di carbonio duro. Hanno anche applicato la stessa analisi a un altro tipo di batteria ricaricabile, chiamata batteria agli ioni di sodio (NIB), e ho trovato risultati simili. Il dottor Gotoh spiega, "Abbiamo scoperto che alcuni materiali di carbonio con pori interni (come il carbonio amorfo) hanno un effetto tampone per la deposizione di dendriti di Li e Na durante il sovraccarico delle batterie. Questa conoscenza svolgerà un ruolo importante nel garantire la sicurezza di LIB e NIB".

Rivelando le complessità dei meccanismi di formazione dei dendriti in LIB e NIB, Il Dr. Gotoh e il suo team forniscono informazioni utili sulla loro sicurezza. Infatti, gli scienziati sono ottimisti sul fatto che i loro risultati possano essere applicati ad altri tipi di batterie ricaricabili in futuro. Il dottor Gotoh conclude, "I nostri risultati possono essere applicati non solo a LIB e NIB, ma anche a batterie secondarie di prossima generazione come tutte le batterie a stato solido. Questo è un passo importante per rendere più semplice la loro applicazione pratica".

Con i risultati di questo nuovo studio, possiamo sperare di essere un passo più vicini alla realizzazione del nostro sogno di risorse energetiche veramente sostenibili.