Mentre le batterie agli ioni di litio, ampiamente utilizzato nei dispositivi mobili dai telefoni cellulari ai laptop, hanno una delle durate più lunghe delle batterie commerciali oggi, sono stati anche responsabili di una serie di recenti crolli e incendi dovuti a cortocircuiti nei dispositivi mobili. Nella speranza di prevenire più di questi pericolosi malfunzionamenti, i ricercatori della Drexel University hanno sviluppato una ricetta che può trasformare la soluzione elettrolitica, un componente chiave della maggior parte delle batterie, in una protezione contro il processo chimico che porta a disastri legati alla batteria.

Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University e professore di Bach nel College of Engineering, e il suo gruppo di ricerca del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, hanno recentemente pubblicato il loro lavoro, intitolato "Nanodiamonds Suppress Growth of Lithium Dendrites", sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Dentro, descrivono un processo mediante il quale i nanodiamanti, minuscole particelle di diamante 10, 000 volte più piccolo del diametro di un capello:riduce la deposizione elettrochimica, chiamato placcatura, che può portare a pericolosi cortocircuiti delle batterie agli ioni di litio.

Man mano che le batterie vengono utilizzate e caricate, la reazione elettrochimica provoca il movimento di ioni tra i due elettrodi di una batteria, che è l'essenza di una corrente elettrica. Col tempo, questo riposizionamento degli ioni può creare accumuli simili a viticci, quasi come stalattiti che si formano all'interno di una grotta. Questi accumuli di batteria, chiamati dendriti, sono una delle principali cause di malfunzionamento della batteria al litio. Man mano che i dendriti si formano all'interno della batteria nel tempo, possono raggiungere il punto in cui spingono attraverso il separatore, un film polimerico poroso che impedisce alla parte caricata positivamente di una batteria di toccare la parte caricata negativamente. Quando il separatore viene violato, può verificarsi un cortocircuito, che può anche provocare un incendio poiché la soluzione elettrolitica nella maggior parte delle batterie agli ioni di litio è altamente infiammabile.

Per evitare la formazione di dendriti e ridurre al minimo la probabilità di incendio, gli attuali modelli di batterie includono un elettrodo in grafite riempito con litio anziché puro litio. L'uso della grafite come ospite per il litio impedisce la formazione di dendriti. Ma la grafite intercalata al litio immagazzina anche circa 10 volte meno energia del litio puro. La svolta realizzata dal team di Gogotsi significa che è possibile un grande aumento dell'accumulo di energia perché la formazione di dendriti può essere eliminata negli elettrodi di litio puro.

"La sicurezza della batteria è una questione chiave per questa ricerca, " Gogotsi ha detto. "Le piccole batterie primarie negli orologi usano anodi al litio, ma vengono scaricati solo una volta. Quando inizi a caricarli ancora e ancora, i dendriti iniziano a crescere. Ci possono essere diversi cicli sicuri, ma prima o poi succederà un cortocircuito. Vogliamo eliminare o, almeno, minimizzare questa possibilità".

Gogotsi e i suoi collaboratori della Tsinghua University di Pechino, e Hauzhong University of Science and Technology di Wuhan, Cina, hanno concentrato il loro lavoro nel rendere gli anodi di litio più stabili e la placcatura in litio più uniforme in modo che i dendriti non crescano.

Lo fanno aggiungendo nanodiamanti alla soluzione elettrolitica in una batteria. I nanodiamanti sono stati utilizzati per qualche tempo nell'industria galvanica per rendere più uniformi i rivestimenti metallici. Mentre sono molto, molto più piccoli e più economici dei diamanti che troveresti nella custodia di un gioielliere, i nanodiamanti conservano ancora la struttura e la forma regolari dei loro costosi progenitori. Quando vengono depositati, scivolano naturalmente insieme per formare una superficie liscia.

I ricercatori hanno scoperto che questa proprietà è estremamente utile per eliminare la formazione di dendriti. Nella carta, spiegano che gli ioni di litio possono legarsi facilmente ai nanodiamanti, quindi, quando placcano l'elettrodo, lo fanno nello stesso modo ordinato delle particelle di nanodiamante a cui sono collegati. Riferiscono nel documento che la miscelazione di nanodiamanti nella soluzione elettrolitica di una batteria agli ioni di litio rallenta la formazione dei dendriti a zero attraverso 100 cicli di carica-scarica.

Se ci pensi come una partita a Tetris, quel mucchio di blocchi non corrispondenti che si avvicinano pericolosamente al "game over" è l'equivalente di un dendrite. Aggiungere nanodiamanti al mix è un po' come usare un cheat code che fa scorrere ogni nuovo blocco nel posto giusto per completare una linea e prevenire la formazione di una torre minacciosa.

Gogotsi osserva che la scoperta del suo gruppo è solo l'inizio di un processo che potrebbe eventualmente vedere additivi elettrolitici, come nanodiamanti, ampiamente utilizzato per produrre batterie al litio sicure con un'elevata densità di energia. I risultati iniziali mostrano già un ciclo stabile di carica-scarica fino a 200 ore, che è abbastanza lungo per l'uso in alcune applicazioni industriali o militari, ma non del tutto adeguato per le batterie utilizzate nei laptop o nei telefoni cellulari. I ricercatori devono anche testare un gran numero di celle della batteria per un periodo di tempo sufficientemente lungo in varie condizioni fisiche e temperature per garantire che i dendriti non crescano mai.

"È potenzialmente rivoluzionario, ma è difficile essere sicuri al 100% che i dendriti non cresceranno mai, " Gogotsi ha detto. "Prevediamo che il primo utilizzo della nostra tecnologia proposta sarà in applicazioni meno critiche, non in telefoni cellulari o batterie per auto. Per garantire la sicurezza, additivi agli elettroliti, come i nanodiamanti, devono essere combinate con altre precauzioni, come l'utilizzo di elettroliti non infiammabili, materiali degli elettrodi più sicuri e separatori più resistenti."