Le batterie al litio metallico sono tra i candidati più promettenti per la tecnologia di accumulo di energia ad alta densità in una gamma in espansione di dispositivi digitali "intelligenti" e veicoli elettrici, ma crescita incontrollata dei dendriti di litio, che si traduce in una scarsa capacità di ricarica e rischi per la sicurezza, attualmente tempera il loro potenziale.

I dendriti sono escrescenze aghiformi che compaiono sulla superficie del metallo di litio, che viene utilizzato come anodo, o elettrodo negativo, di una batteria. Inducono reazioni collaterali indesiderate che riducono la densità energetica, e nel peggiore dei casi, causare cortocircuiti degli elettrodi che possono provocare incendi o esplosioni.

Nuova ricerca dell'Arizona State University che prevede l'utilizzo di uno strato tridimensionale di polidimetilsilossano (PDMS), o silicone, poiché è stato scoperto che il substrato dell'anodo in metallo di litio mitiga la formazione di dendriti e aumenta notevolmente la durata della batteria e riduce i rischi per la sicurezza.

Secondo Hanqing Jiang, un professore della School for Engineering of Matter dell'Arizona State University, Transport and Energy e un ricercatore capo su un articolo pubblicato su Energia della natura , i risultati hanno rilevanza sia per le batterie agli ioni di litio che per le batterie al litio-aria, così come le implicazioni per altre batterie a base di anodo metallico.

"Quasi tutti i metalli usati come anodi di batterie tendono a sviluppare dendriti, " ha spiegato Jiang. "Per esempio, questi risultati hanno implicazioni per lo zinco, anche batterie al sodio e all'alluminio."

Jiang ha detto che lui e il gruppo di ricerca, piuttosto che affrontare il problema dal punto di vista dei materiali o dell'elettrochimica, cercava soluzioni come ingegneri meccanici. "Sappiamo già che piccoli aghi di stagno o baffi possono sporgere dalle superfici di stagno sotto stress, quindi, per analogia, abbiamo esaminato la possibilità che lo stress sia un fattore nella crescita dei dendriti di litio".

Il primo ciclo di ricerca ha comportato l'aggiunta di uno strato di PDMS sul fondo dell'anodo della batteria. "Ci sono state notevoli riduzioni nella crescita dei dendriti, " ha detto Jiang. I ricercatori hanno scoperto che questo è direttamente correlato al fatto che lo stress accumulato all'interno del metallo di litio viene alleviato dalla deformazione del substrato PDMS sotto forma di "rughe".

"Questa è la prima volta che prove convincenti mostrano che lo stress residuo gioca un ruolo chiave nell'inizio dei dendriti di litio, ", ha detto Jiang.

Oltre ad ottenere una comprensione fondamentale del meccanismo di crescita dei dendriti di litio, Il gruppo di Jiang ha anche escogitato un modo intelligente per utilizzare il fenomeno per prolungare la durata delle batterie al litio-metallo mantenendo la loro elevata densità di energia. La soluzione è dare al substrato PDMS una forma tridimensionale con molta superficie. "Immaginate zollette di zucchero che contengono molti piccoli pori interni, " spiegò Jiang. "All'interno di questi cubi, il PDMS forma una rete continua come substrato, ricoperto da un sottile strato di rame per condurre gli elettroni. Finalmente, il litio riempie i pori. Il PDMS, che funge da poroso, strato spugnoso, allevia lo stress e inibisce efficacemente la crescita dei dendriti."

"Combinando sinergicamente con altri metodi di soppressione dei dendriti di litio come nuovi additivi elettrolitici, la scoperta ha ampie implicazioni per rendere sicure le batterie al litio-metallo, alta densità, soluzione di accumulo di energia a lungo termine, " ha detto il professor Ming Tang, un membro del gruppo di ricerca presso la Rice University. "Le potenziali applicazioni vanno dai dispositivi elettronici personali all'alimentazione di auto elettriche per periodi eccezionalmente più lunghi fino alla fornitura elettrica di riserva per le reti di energia solare".