Ricaricabile agli ioni di litio, la tecnologia delle batterie dominante per l'elettronica portatile, sta diventando sempre più la batteria preferita per le applicazioni di accumulo di energia per veicoli elettrici e reti elettriche.

In una batteria agli ioni di litio, il catodo (elettrodo positivo) è un ossido metallico di litio mentre l'anodo (elettrodo negativo) è grafite. Ma i ricercatori stanno cercando modi per sostituire la grafite con il litio metallico come anodo per aumentare la densità di energia della batteria.

Poiché la densità di impacchettamento degli atomi di litio è la più alta nella sua forma metallica, le batterie che utilizzano anodi metallici al litio possono contenere più energia per peso o volume rispetto agli anodi a base di grafite. Però, Gli anodi di litio metallico sono afflitti dall'accumulo di "dendriti" che si verifica durante ripetuti cicli di carica e scarica.

I dendriti sono sporgenze ramificate che emanano dalla superficie del metallo di litio. Spesso, crescono abbastanza a lungo da creare un cortocircuito tra gli elettrodi, portando a un pericolo di incendio.

Ma ora un team di ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute (Rensselaer) ha scoperto un modo per utilizzare il calore della batteria interna per diffondere i dendriti in uno strato liscio. I ricercatori hanno riportato i loro risultati questa settimana in Scienza .

"Abbiamo scoperto che i dendriti del metallo di litio possono essere guariti in situ dall'autoriscaldamento delle particelle dendritiche, " ha detto Nikhil Koratkar, il professore di ingegneria John A. Clark e Edward T. Crossan a Rensselaer e autore corrispondente dell'articolo.

Lavorare attorno al problema dei dendriti

Un dispositivo a batteria è composto da due elettrodi:il catodo e l'anodo. Tra gli elettrodi c'è una membrana isolante che funge da separatore per evitare che gli elettrodi si tocchino tra loro e vadano in cortocircuito la batteria. Il separatore è saturato con un elettrolita liquido, che consente agli ioni (atomi carichi) di spostarsi avanti e indietro tra gli elettrodi.

Le reazioni chimiche producono elettricità quando gli ioni di litio caricati positivamente dall'anodo vengono trasportati al catodo durante la scarica. Quando la batteria è collegata a una presa per la ricarica, avviene il contrario:gli ioni di litio tornano dal catodo all'anodo.

In una batteria con un anodo di metallo al litio, cicli ripetuti di scarica e ricarica causano l'accumulo di dendriti sulla superficie dell'anodo. Questo accumulo spinoso può eventualmente penetrare nel separatore e toccare il catodo. Quando questo accade, si verifica un cortocircuito che rende inutilizzabile una batteria, o peggio, provoca un incendio.

L'industria ha evitato il problema del dendrite di litio utilizzando anodi di carbonio (tipicamente grafite). In questo approccio, gli ioni di litio si diffondono e vengono immagazzinati all'interno della matrice di carbonio, che isola ogni atomo di litio, prevenendo così l'accumulo di dendriti. Tipicamente, viene immagazzinato un atomo di litio ogni sei atomi di carbonio, con il materiale di carbonio in eccesso che serve poco più che un peso morto.

"Le batterie agli ioni di litio con anodi a base di carbonio sono la migliore opzione disponibile, ma non possono più tenere il passo con la domanda di capacità di stoccaggio, " ha detto Koratkar. "Per eventuali nuovi miglioramenti significativi, dobbiamo guardare altrove. L'opzione migliore sarebbe un sistema al litio metallico".

La tecnica di autoriscaldamento potrebbe essere un punto di svolta

La soluzione proposta dai ricercatori Rensselaer sfrutta il riscaldamento resistivo interno della batteria per eliminare l'accumulo di dendriti. Il riscaldamento resistivo (noto anche come riscaldamento Joule) è un processo in cui un materiale metallico resiste al flusso di corrente e, di conseguenza, produce calore. Questo "autoriscaldamento" avviene attraverso il processo di carica e scarica.

I ricercatori hanno aumentato l'effetto di autoriscaldamento aumentando la densità di corrente (tasso di carica-scarica) della batteria. Il processo ha innescato un'ampia diffusione superficiale di litio, distribuendo i dendriti in uno strato uniforme.

I ricercatori hanno prima dimostrato questo levigamento (guarigione) dei dendriti in una cella simmetrica litio-litio. Hanno quindi mostrato il processo con gli stessi risultati in una dimostrazione di prova utilizzando una batteria al litio-zolfo.

La guarigione dei dendriti sarebbe effettuata dal software del sistema di gestione della batteria, che fornirebbe dosi di trattamento di "autoguarigione" eseguendo alcuni cicli ad alta velocità di carica e scarica quando un dispositivo elettronico non è in uso.

"Si verificherebbe una quantità limitata di cicli ad alta densità di corrente per guarire i dendriti, e poi si possono riprendere le normali operazioni, " disse Koratkar. "L'autoguarigione sarebbe una strategia di mantenimento, molto prima che i dendriti diventino un pericolo per la sicurezza."

"Lo stoccaggio di energia ad alta densità rimane un ostacolo critico tra la raccolta di energia rinnovabile e il suo uso diffuso in tutto, dai veicoli elettrici alle case alimentate a energia solare, " ha affermato il preside dell'ingegneria Shekhar Garde. "I risultati del laboratorio del Prof. Koratkar mostrano come la comprensione fondamentale dei materiali su scala nanometrica può essere impiegata non solo per aumentare la densità energetica delle batterie, ma anche aumentare la loro vita e renderli più sicuri".