Dagli smartphone ai veicoli elettrici, molte delle tecnologie odierne funzionano con batterie agli ioni di litio. Ciò significa che i consumatori devono tenere a portata di mano i loro caricabatterie. La batteria di un iPhone X dura solo 21 ore di conversazione, e il modello S di Tesla ha un'autonomia di 335 miglia, il che significa che potresti aspettarti di farlo da Newark, Delaware alla Provvidenza, Rhode Island, ma non fino a Boston, su una carica.

Scienziati di tutto il mondo, compreso lo stesso inventore delle batterie agli ioni di litio, John Goodenough—sono alla ricerca di modi per rendere più sicure le batterie ricaricabili, accendino, e più potente.

Ora, un team internazionale di ricercatori guidati da Bingqing Wei, professore di ingegneria meccanica all'Università del Delaware e direttore del Center for Fuel Cells and Batteries, sta facendo un lavoro che potrebbe gettare le basi per un uso più diffuso di batterie al litio metallico che avrebbero una capacità maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio comunemente utilizzate oggi nell'elettronica di consumo. Il team ha sviluppato un metodo per mitigare la formazione di dendriti nelle batterie al litio metallico, che hanno descritto in un articolo pubblicato in Nano lettere .

La promessa (e le insidie) delle batterie al litio metallico

In una batteria agli ioni di litio, l'anodo, o lato generatore di corrente, è fatto di un materiale, come grafite, con ioni di litio ad esso legati. Gli ioni di litio fluiscono al catodo, o lato raccolta corrente.

In una batteria al litio metallico, l'anodo è in metallo di litio. Gli elettroni fluiscono dall'anodo al catodo per generare elettricità. Le batterie ricaricabili in metallo al litio sono molto promettenti perché il litio è il metallo elettricamente più positivo e ha una capacità molto elevata.

"Teoricamente, il litio metallico è una delle migliori scelte per le batterie, ma è difficile da gestire in pratica, " disse Wei.

Le batterie al litio metallico sono state inefficienti, instabile, e anche un rischio di incendio finora. Le loro prestazioni sono ostacolate dai dendriti di litio, formazioni che sembrano minuscole stalagmiti fatte di depositi di litio. Poiché viene utilizzata una batteria, gli ioni di litio si raccolgono sull'anodo. Col tempo, i depositi di litio diventano non uniformi, che porta alla formazione di questi dendriti, che può causare il cortocircuito della batteria.

Una nuova comprensione

Gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno provato una varietà di tecniche per sopprimere la formazione e la crescita di questi dendriti. Dopo aver studiato la letteratura, Wei aveva scoperto che quasi tutte le tecniche applicate potevano essere comprese sotto un ombrello:l'introduzione di uno strato di materiale poroso nel sistema potrebbe impedire ai dendriti di accumularsi sull'anodo.

Utilizzando modelli matematici, il team di ricerca ha scoperto che un materiale poroso sopprimeva l'inizio e la crescita dei dendriti. I dendriti che si sono formati erano il 75% più corti di quelli che si sono formati in sistemi privi della membrana porosa. Per dimostrare ulteriormente la scoperta, il team ha fabbricato una membrana fatta di minuscoli fili di nitruro di silicio poroso che misuravano meno di un milionesimo di metro ciascuno. Hanno quindi integrato questa membrana in celle al litio metallico in una batteria e l'hanno fatta funzionare per 3, 000 ore. Non sono cresciuti dendriti.

"Questa comprensione fondamentale potrebbe non essere limitata al nitruro di silicio che abbiamo usato, " Wei ha detto. "Anche altre strutture porose possono fare questo".

Cosa c'è di più, questo principio può estendersi anche ad altri sistemi di batterie, come batterie a base di zinco o potassio, Egli ha detto.

"In questo campo delle batterie a base di metallo, questa è una comprensione aggiornata, " ha detto. "Questo è il tipo di lavoro che potrebbe avere un grande impatto".