Dai cellulari, all'energia solare, alle auto elettriche, l'umanità è sempre più dipendente dalle batterie. Come richiesta di sicurezza, efficiente, e il potente accumulo di energia continua a crescere, lo stesso vale per la richiesta di alternative promettenti alle batterie ricaricabili agli ioni di litio, che sono state la tecnologia dominante in questo spazio.

In una ricerca pubblicata in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute dimostrano come possono superare una sfida persistente nota come dendriti per creare una batteria metallica che funzioni quasi come una batteria agli ioni di litio, ma si basa sul potassio, un elemento molto più abbondante e meno costoso.

Le batterie contengono due elettrodi:un catodo da un lato e un anodo dall'altro. Se dovessi guardare all'interno di una batteria agli ioni di litio, in genere troverai un catodo fatto di ossido di litio e cobalto e un anodo di grafite. Durante la carica e la scarica, gli ioni di litio fluiscono avanti e indietro tra questi due elettrodi.

In questa configurazione, se i ricercatori dovessero semplicemente sostituire l'ossido di cobalto di litio con l'ossido di cobalto di potassio, le prestazioni diminuirebbero. Il potassio è un elemento più grande e più pesante e, perciò, meno denso di energia. Anziché, il team di Rensselaer ha cercato di aumentare le prestazioni del potassio sostituendo anche l'anodo di grafite con metallo di potassio.

"In termini di prestazioni, questo potrebbe rivaleggiare con una tradizionale batteria agli ioni di litio, " ha detto Nikhil Koratkar, un professore dotato di meccanica, aerospaziale, e ingegneria nucleare a Rensselaer e l'autore principale di questo documento.

Mentre le batterie in metallo hanno mostrato grandi promesse, sono stati anche tradizionalmente afflitti dall'accumulo di depositi metallici, chiamati dendriti, sull'anodo. I dendriti si formano a causa della deposizione non uniforme di potassio metallico poiché la batteria subisce ripetuti cicli di carica e scarica. Col tempo, Koratkar ha spiegato, i conglomerati di potassio metallico diventano lunghi e quasi ramificati.

Se crescono troppo a lungo, alla fine perforeranno il separatore della membrana isolante destinato a impedire che gli elettrodi si tocchino tra loro e mettano in cortocircuito la batteria. Il calore viene creato quando una batteria va in cortocircuito e ha il potenziale per incendiare l'elettrolita organico all'interno del dispositivo.

In questo documento, Koratkar e la sua squadra, che includeva Prateek Hundekar, uno studente di dottorato a Rensselaer, e ricercatori dell'Università del Maryland, tra cui Chunsheng Wang, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare, spiega come la loro soluzione a quel problema apre la strada all'uso pratico da parte dei consumatori. Facendo funzionare la batteria a una velocità di carica e scarica relativamente elevata, possono aumentare la temperatura all'interno della batteria in modo ben controllato e incoraggiare i dendriti ad autoripararsi dall'anodo.

Koratkar paragona il processo di autoguarigione a ciò che accade a un mucchio di neve dopo la fine di una tempesta. Il vento e il sole aiutano a spostare i fiocchi dal cumulo di neve, riducendone le dimensioni ed eventualmente appiattendolo.

In un modo simile, mentre l'aumento della temperatura all'interno della batteria non scioglierà il metallo di potassio, aiuta ad attivare la diffusione superficiale in modo che gli atomi di potassio si spostino lateralmente fuori dal "mucchio" che hanno creato, levigando efficacemente il dendrite.

"Con questo approccio, l'idea è che di notte o quando non usi la batteria, avresti un sistema di gestione della batteria che applicherebbe questo calore locale che causerebbe l'autoguarigione dei dendriti, " disse Koratkar.

Koratkar e il suo team hanno precedentemente dimostrato un metodo simile di auto-guarigione con batterie al litio metallico, ma hanno scoperto che la batteria al potassio metallico richiedeva molto meno calore per completare il processo di autoguarigione. Quella scoperta promettente, Koratkar ha detto, significa che una batteria al potassio metallico potrebbe essere più efficiente, sicuro, e pratico.

"Voglio vedere un cambio di paradigma verso le batterie metalliche, " Koratkar ha detto. "Le batterie metalliche sono il modo più efficiente per costruire una batteria; però, a causa di questo problema di dendrite non sono stati fattibili. Con potassio, Sono più fiducioso".