Quando gli ioni di litio vengono forzati rapidamente attraverso una batteria, potrebbero rimanere bloccati e trasformarsi in litio metallico, non più in grado di muoversi attraverso la batteria.

Immagina di poter fare rifornimento alla tua auto elettrica mentre ti fermi per uno spuntino veloce o ricaricare il telefono mentre ti lavi i denti.

"La ricarica rapida è una specie di Santo Graal. È ciò che tutti coloro che possiedono un dispositivo basato su batteria agli ioni di litio vogliono essere in grado di fare", afferma l'ingegnere senior David Wragg del Center for Materials Science and Nanotechnology presso l'Università di Oslo.

All'interno della batteria, tuttavia, c'è molta chimica complicata che può essere sensibile alla velocità con cui viene caricata. Le cose possono andare storte.

"La perdita di capacità è la più critica", afferma Wragg a Titan.uio.no.

"È possibile produrre batterie con capacità molto elevata che potrebbero permetterti di guidare la tua auto elettrica per 1000 km, ma dopo averla caricata e scaricata alcune volte, perderesti circa la metà di quella capacità e autonomia.

Tutte le batterie ricaricabili si deteriorano nel tempo, ma questo effetto negativo è molto forte quando la batteria viene sottoposta a una ricarica rapida. Wragg è uno dei ricercatori dietro uno studio che mostra il perché.

Hanno potuto vedere che gli ioni di litio, così importanti per la capacità di una batteria, vengono convertiti in puro litio metallico e non sono più utili. E soprattutto:questo effetto è notevolmente potenziato dalla ricarica rapida.

La batteria è come una sedia a dondolo

Da un lato della batteria c'è l'anodo e dall'altro il catodo. Entrambi questi elettrodi possono immagazzinare elettroni e ioni. Tra di loro c'è un separatore e un elettrolita liquido che aiuta gli ioni da un lato all'altro.

Ioni ed elettroni si spostano da un lato all'altro della batteria quando si utilizza la corrente immagazzinata e tornano indietro quando la si ricarica.

"Lo chiamano il meccanismo della sedia a dondolo, dove fai oscillare i ferri e gli elettroni da un lato all'altro. "

"Quando sono fresche e funzionano perfettamente, le batterie possono immagazzinare una certa quantità di ioni, e questa è la capacità totale del sistema", afferma Wragg.

Quando gli ioni, che prima si muovevano avanti e indietro, si trasformano in metallo, non sono più in grado di muoversi attraverso la batteria. Gli ioni sono carichi e possono essere attirati avanti e indietro. Gli atomi di metallo sono neutri e non possono essere tentati in nessuna delle due direzioni.

"Una volta che il litio si è trasformato in metallo, non è più realmente accessibile per la reazione elettrochimica. Questa capacità è completamente persa", afferma Wragg.

Ciò accade in tutte le batterie ricaricabili agli ioni di litio quando le hai caricate un numero sufficiente di volte. Ma perché peggiora quando carichi velocemente?

Colli di bottiglia durante la ricarica rapida

Durante la ricarica rapida, lo stesso numero di ioni si muove attraverso il sistema, ma molto più velocemente. Tutti gli ioni devono trovare il loro posto nell'anodo in un tempo molto più breve.

"Quando carichi a doppia velocità, devi spostare la stessa quantità di ioni ed elettroni in metà tempo", afferma Wragg.

Se carichi quattro o sei volte più velocemente, sarà naturalmente ancora più difficile.

"È difficile perché ci sono alcuni limiti sulla chimica che si verifica quando si tenta di inserire gli ioni di litio in un materiale per elettrodi solidi molto velocemente", afferma Wragg.

Gli anodi, che ricevono ioni durante la carica, sono realizzati in grafite, che è formata da sottili strati di carbonio. L'anodo è costituito da diversi milioni di tali strati.

"La grafite vuota è come un mazzo di carte e gli ioni di litio sono come minuscole palline che vengono spinte negli spazi tra le carte. Il problema è che puoi creare colli di bottiglia mentre provi a spingere gli ioni di litio tra gli strati della grafite.

"Continui a spingere dentro gli ioni, ma a meno che gli ioni che sono già tra gli strati non possano spingere più in profondità nella pila, non c'è spazio per far entrare nuovi ioni. Quando carichi la batteria molto velocemente, il litio non si diffonde nell'intero elettrodo di grafite. Si blocca semplicemente vicino all'elettrolita, dove l'anodo e il catodo sono separati."

È soprattutto qui, in questi colli di bottiglia, che gli ioni carichi diventano atomi neutri e si accumulano in minuscoli grumi di metallo. Gli ioni non si muovono ulteriormente, mentre viene applicata energia. Questa energia in eccesso può essere ciò che trasforma uno ione in un atomo neutro e stabile.

"Si chiama placcatura al litio. Questo è quando gli ioni di litio, invece di rimanere nella forma ionica, si trasformano in metallo di litio. Questo è noto da molto tempo, ma non è mai stato osservato in una batteria funzionante prima", Wragg dice.

Questo, tuttavia, Wragg e i suoi colleghi sono riusciti a fare. Utilizzando i raggi X, hanno scansionato le batterie ogni 25 millisecondi, più e più volte mentre si caricavano rapidamente a velocità diverse. Questo ha fornito loro enormi quantità di dati su ciò che sta accadendo fino al livello atomico.

"Potremmo effettivamente vedere la placcatura del litio accumularsi. Durante la ricarica rapida abbiamo potuto vedere la quantità di litio aumentare molto velocemente. La nostra teoria è che ha qualcosa a che fare con questo collo di bottiglia degli ioni di litio. Vediamo molti ioni di litio vicino a il separatore e questo è anche il punto in cui vediamo la placcatura al litio", afferma Wragg.

"La cosa più probabile è che questi ioni di litio si accumulano e non riescono più ad arrivare alla grafite. Si bloccano lì e c'è molto calore, molta energia viene immessa in loro, e quindi si riducono al litio metallico."

Hanno visto come gli strati di grafite più vicini all'altro elettrodo fossero molto ricchi di litio, mentre più in profondità non c'era quasi alcun litio. È peggiorato più velocemente hanno caricato.

"Più velocemente lo spingi, più veloce si verifica la placcatura", afferma Wragg.

Il futuro:nanotubi e grafene?

Lo studio non è affatto la fine della ricarica rapida. Significa solo che i ricercatori devono trovare soluzioni nuove e migliori.

"La cosa fondamentale è che le persone che producono batterie cerchino di escogitare modi per migliorare il trasporto del litio in modo che quando si carica velocemente, ci siano più possibilità che il litio raggiunga effettivamente l'intero anodo di grafite, " dice Wragg.

I ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di nuovi materiali e metodi che possano far sì che le batterie resistano meglio alla ricarica rapida.

"Ad esempio, ci sono molte persone che usano nanotubi di carbonio. Il nanotubo di carbonio è ciò che ottieni se prendi una delle carte e la avvolgi in un tubo. È come una grafite che è stata formata in tubi piuttosto che un po' piatta. "

Wragg e colleghi dell'Università di Oslo stanno lavorando con il grafene, singoli fogli di grafite, nell'anodo.

"La grafite è nota da centinaia di anni. Il grafene e i nanotubi di carbonio sono noti da circa 30 anni, quindi ci vuole tempo."

Finora nessuna di queste innovazioni è apparsa nelle batterie commerciali.

"Ma accadrà, senza dubbio", dice Wragg.