Le persone non chiedono troppo alle batterie:forniscono energia quando è necessaria e per tutto il tempo necessario, ricaricare velocemente e non prendere fuoco.

Un'ondata di incendi di telefoni cellulari nel 2016 ha scosso la fiducia dei consumatori nelle batterie agli ioni di litio, una tecnologia che ha contribuito a inaugurare la moderna elettronica portatile, ma è stata afflitta da problemi di sicurezza da quando è stata introdotta negli anni '80. Con l'aumento dell'interesse per i veicoli elettrici, ricercatori e addetti ai lavori sono alla ricerca di una migliore tecnologia delle batterie ricaricabili in grado di alimentare le auto in modo sicuro e affidabile, veicoli autonomi, robotica e altri dispositivi di nuova generazione.

La nuova ricerca Cornell fa avanzare la progettazione di batterie a stato solido, una tecnologia che è intrinsecamente più sicura e più densa di energia rispetto alle odierne batterie agli ioni di litio, che si basano su elettroliti liquidi infiammabili per il rapido trasferimento dell'energia chimica immagazzinata nei legami molecolari all'elettricità. Partendo da elettroliti liquidi e poi trasformandoli in polimeri solidi all'interno della cella elettrochimica, i ricercatori sfruttano le proprietà sia liquide che solide per superare i limiti chiave negli attuali progetti di batterie.

"Immagina un bicchiere pieno di cubetti di ghiaccio:parte del ghiaccio entrerà in contatto con il bicchiere, ma ci sono lacune, " disse Qing Zhao, un ricercatore post-dottorato e autore principale dello studio, "Elettroliti polimerici allo stato solido con trasporto interfacciale veloce integrato per batterie al litio secondarie, " pubblicato l'11 marzo in Energia della natura .

"Ma se riempi il bicchiere d'acqua e lo congeli, le interfacce saranno completamente rivestite, e stabilisci un forte legame tra la superficie solida del bicchiere e il suo contenuto liquido, " Qing ha detto. "Questo stesso concetto generale in una batteria facilita alti tassi di trasferimento di ioni attraverso le superfici solide di un elettrodo di batteria a un elettrolita senza bisogno di un liquido combustibile per funzionare".

L'intuizione chiave è l'introduzione di molecole speciali in grado di avviare la polimerizzazione all'interno della cella elettrochimica, senza compromettere altre funzioni della cellula. Se l'elettrolita è un etere ciclico, l'iniziatore può essere progettato per strappare l'anello, producendo filamenti di monomeri reattivi che si legano insieme per creare molecole a catena lunga con essenzialmente la stessa chimica dell'etere. Questo polimero ormai solido mantiene le connessioni strette alle interfacce metalliche, proprio come il ghiaccio dentro un bicchiere.

Al di là della loro rilevanza per migliorare la sicurezza della batteria, gli elettroliti allo stato solido sono anche utili per abilitare le batterie di prossima generazione che utilizzano metalli, compreso litio e alluminio, come anodi per ottenere un accumulo di energia molto maggiore di quanto sia possibile nell'attuale tecnologia delle batterie allo stato dell'arte. In tale contesto, l'elettrolita allo stato solido impedisce al metallo di formare dendriti, un fenomeno che può cortocircuitare una batteria e portare a surriscaldamento e guasto.

Nonostante i vantaggi percepiti delle batterie a stato solido, i tentativi dell'industria di produrli su larga scala hanno incontrato delle battute d'arresto. I costi di produzione sono alti, e le scarse proprietà di interfaccia dei progetti precedenti presentano notevoli ostacoli tecnici. Un sistema a stato solido elude anche la necessità di raffreddamento della batteria fornendo stabilità alle variazioni termiche.

"Le nostre scoperte aprono un percorso completamente nuovo per creare pratiche batterie a stato solido che possono essere utilizzate in una vasta gamma di applicazioni, " ha detto l'autore senior Lynden Archer, il Professore distinto di Ingegneria della famiglia James A. Friend presso la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering.

Secondo Archer, la nuova strategia in situ per la creazione di elettroliti polimerici solidi è particolarmente entusiasmante perché promette di estendere la durata del ciclo e le capacità di ricarica delle batterie metalliche ricaricabili ad alta densità di energia.

"Il nostro approccio funziona per l'odierna tecnologia agli ioni di litio rendendola più sicura, ma offre opportunità per la futura tecnologia delle batterie, " ha detto Archer.