Una tecnologia delle batterie ricaricabili sviluppata presso l'Università del Michigan potrebbe raddoppiare la produzione delle odierne celle agli ioni di litio, estendendo drasticamente l'autonomia dei veicoli elettrici e il tempo tra le ricariche dei telefoni cellulari, senza occupare spazio aggiuntivo.

Utilizzando una ceramica, elettrolita allo stato solido, gli ingegneri possono sfruttare la potenza delle batterie al litio metallico senza i problemi storici di scarsa durata e cortocircuiti. Il risultato è una tabella di marcia verso quella che potrebbe essere la prossima generazione di batterie ricaricabili.

"Questo potrebbe essere un punto di svolta:un cambio di paradigma nel funzionamento di una batteria, "ha detto Jeff Sakamoto, un professore associato di ingegneria meccanica UM che guida il lavoro.

Negli anni '80, le batterie ricaricabili al litio metallico che utilizzavano elettroliti liquidi erano considerate la prossima grande novità, penetrare nel mercato dei primi telefoni portatili. Ma la loro propensione a bruciare quando caricati ha portato gli ingegneri in direzioni diverse. Gli atomi di litio che fanno la spola tra gli elettrodi tendevano a costruire filamenti simili ad alberi chiamati dendriti sulle superfici degli elettrodi, eventualmente cortocircuitando la batteria e accendendo l'elettrolita infiammabile.

La batteria agli ioni di litio, una più stabile, ma la tecnologia meno denso di energia, è stato introdotto nel 1991 ed è diventato rapidamente il nuovo standard. Queste batterie hanno sostituito il litio metallico con anodi di grafite, che assorbono il litio e impediscono la formazione di dendriti, ma anche con costi di prestazione:

La grafite può contenere solo uno ione litio ogni sei atomi di carbonio, dandogli una capacità specifica di circa 350 milliampere ore per grammo (mAh/g.) Il litio metallico in una batteria a stato solido ha una capacità specifica di 3, 800mAh/g.

Le attuali batterie agli ioni di litio raggiungono il massimo con una densità di energia totale di circa 600 wattora per litro (Wh/L) a livello di cella. In principio, le batterie a stato solido possono raggiungere 1, 200 Wh/L.

Per risolvere il problema della combustione del litio metallico, Gli ingegneri di U-M hanno creato uno strato ceramico che stabilizza la superficie, impedendo la formazione di dendriti e prevenendo gli incendi. Consente alle batterie di sfruttare i vantaggi del metallo al litio (densità di energia e alta conduttività) senza i pericoli di incendi o degrado nel tempo.

"Quello che abbiamo trovato è un approccio diverso:stabilizzare fisicamente la superficie del metallo di litio con una ceramica, " Ha detto Sakamoto. "Non è combustibile. Lo facciamo a oltre 1, 800 gradi Fahrenheit in aria. E non c'è liquido, che è ciò che in genere alimenta gli incendi della batteria che vedi.

"Ti sbarazzi di quel carburante, ti sbarazzi della combustione."

In precedenti test sugli elettroliti allo stato solido, il metallo di litio è cresciuto attraverso l'elettrolita ceramico a basse velocità di carica, provocando un cortocircuito, molto simile a quello delle cellule liquide. I ricercatori della U-M hanno risolto questo problema con trattamenti chimici e meccanici che forniscono una superficie incontaminata affinché il litio possa placcare in modo uniforme, sopprimendo efficacemente la formazione di dendriti o filamenti. Questo non solo migliora la sicurezza, consente un notevole miglioramento delle tariffe di ricarica, ha detto Sakamoto.

"Fino ad ora, le velocità con cui potresti placcare il litio significherebbero che dovresti caricare una batteria per auto al litio metallico per 20-50 ore (per la massima potenza), " Ha detto Sakamoto. "Con questa svolta, abbiamo dimostrato di poter caricare la batteria in 3 ore o meno.

"Stiamo parlando di un aumento del fattore 10 della velocità di ricarica rispetto ai rapporti precedenti per le batterie al litio metallico allo stato solido. Ora siamo alla pari con le celle agli ioni di litio in termini di velocità di ricarica, ma con vantaggi aggiuntivi. "

Quel processo di carica/ricarica è ciò che porta inevitabilmente alla morte finale di una batteria agli ioni di litio. Lo scambio ripetuto di ioni tra il catodo e l'anodo produce una degradazione visibile fin dall'inizio.

Nel testare l'elettrolita ceramico, però, non si osserva alcun degrado visibile dopo il ciclismo a lungo termine, disse Nathan Taylor, un borsista post-dottorato in ingegneria meccanica.

"Abbiamo fatto lo stesso test per 22 giorni, " ha detto. "La batteria era esattamente la stessa all'inizio come era alla fine. Non abbiamo riscontrato alcun degrado. Non siamo a conoscenza di nessun altro elettrolita a stato solido sfuso che funzioni così bene per così tanto tempo".

Gli elettroliti allo stato solido sfusi consentono celle che sostituiscono le attuali batterie agli ioni di litio e potrebbero sfruttare la tecnologia di produzione delle batterie esistente. Con le prestazioni del materiale verificate, il gruppo di ricerca ha iniziato a produrre strati sottili di elettroliti solidi necessari per raggiungere gli obiettivi di capacità dello stato solido.

I risultati del gruppo sono pubblicati nel numero del 31 agosto del Journal of Power Sources .