Harvard presenta batteria allo stato solido in grado di effettuare 6000 cicli di carica

I ricercatori della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences di Harvard hanno sviluppato una nuova batteria al litio metallico che può essere caricata e scaricata almeno 6.000 volte. Si tratta di un numero superiore a quello di qualsiasi altra batteria con solida attuale costruita con la tecnologia della “A sacchetto” e può essere ricaricata in pochi minuti. Il numero di cicli equivale a più di 16 anni di cicli di carica e scarica giornalieri.

La ricerca non solo descrive un nuovo modo di produrre batterie allo stato solido con un anodo di litio metallico, ma offre anche nuove conoscenze sui materiali utilizzati per queste batterie potenzialmente rivoluzionarie.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Materials.

Una batteria “A sacchetto”, o “Pouch cell”, sono la forma di batteria allo stato solido attualmente più diffusa, con strati diversi di accomulazione  he si alternano con uno strato catalitico intermedio solido, secondo lo schema che potete vedere qui sotto:

Xin Li, professore associato di Scienza dei Materiali presso il SEAS e autore senior dell’articolo, ha dichiarato: “Le batterie con anodo al litio-metallo sono considerate il Santo Graal delle batterie perché hanno una capacità dieci volte superiore a quella degli anodi di grafite commerciali e potrebbero aumentare drasticamente la distanza di guida dei veicoli elettrici. La nostra ricerca rappresenta un passo importante verso la realizzazione di batterie allo stato solido più pratiche per applicazioni industriali e commerciali“.

Una delle maggiori sfide nella progettazione di queste batterie è la formazione di dendriti sulla superficie dell’anodo. Queste strutture crescono come radici nell’elettrolita e perforano la barriera che separa l’anodo dal catodo, causando un cortocircuito o addirittura un incendio della batteria.

Le dendriti si formano quando gli ioni di litio si spostano dal catodo all’anodo durante la carica, attaccandosi alla superficie dell’anodo in un processo chiamato placcatura. La placcatura sull’anodo crea una superficie non omogenea, come la placca sui denti, e permette ai dendriti di penetrare.

Quando si scarica, il rivestimento simile alla placca deve essere rimosso dall’anodo e quando la placcatura è irregolare, il processo di rimozione può essere lento e causare buche che inducono una placcatura ancora più irregolare nella carica successiva.

Nel 2021, Li e il suo team hanno proposto un modo per gestire i dendriti progettando una batteria multistrato che inserisce tra l’anodo e il catodo diversi materiali di varia stabilità. Questo design multistrato e multimateriale impediva la penetrazione delle dendriti di litio non fermandole del tutto, ma piuttosto controllandole e contenendole.

In questa nuova ricerca, Li e il suo team impediscono la formazione di dendriti utilizzando particelle di silicio di dimensioni micrometriche nell’anodo per limitare la reazione di litizzazione e facilitare la placcatura omogenea di uno spesso strato di litio metallico.

In questo progetto, quando gli ioni di litio si spostano dal catodo all’anodo durante la carica, la reazione di litizzazione è limitata alla superficie superficiale e gli ioni si attaccano alla superficie della particella di silicio ma non penetrano oltre.

Ciò è nettamente diverso dalla chimica delle batterie agli ioni di litio liquide, in cui gli ioni di litio penetrano attraverso la reazione di litizzazione profonda e distruggono le particelle di silicio nell’anodo.

In una batteria allo stato solido, invece, gli ioni sulla superficie del silicio sono limitati e subiscono il processo dinamico di litizzazione per formare una placcatura di litio metallico intorno al nucleo del silicio.

Li ha spiegato: “Nel nostro progetto, il litio metallico viene avvolto attorno alla particella di silicio, come un guscio di cioccolato duro attorno al nucleo di nocciola in un tartufo di cioccolato”. Queste particelle rivestite creano una superficie omogenea su cui la densità di corrente è distribuita in modo uniforme, impedendo la crescita di dendriti.
Inoltre, poiché la placcatura e lo stripping possono avvenire rapidamente su una superficie uniforme, la batteria può ricaricarsi in soli 10 minuti.

I ricercatori hanno costruito una versione di batteria solida delle dimensioni di un francobollo, da 10 a 20 volte più grande della cella a moneta prodotta nella maggior parte dei laboratori universitari. La batteria ha mantenuto l’80% della sua capacità dopo 6.000 cicli, superando le altre batterie simili “A Sacchetto”, “Pouch Cells”,  presenti oggi sul mercato.

La tecnologia è stata concessa in licenza dall’Ufficio di Sviluppo Tecnologico di Harvard ad Adden Energy, una società spinoff di Harvard fondata da Li e da tre alumni di Harvard.

L’azienda ha ampliato la tecnologia per costruire una batteria a sacchetto delle dimensioni di uno smartphone. Li e il suo team hanno anche caratterizzato le proprietà che permettono al silicio di limitare la diffusione del litio per facilitare il processo dinamico che favorisce la placcatura omogenea del litio.

Hanno quindi definito un descrittore di proprietà unico per descrivere questo processo e lo hanno calcolato per tutti i materiali inorganici conosciuti.

Così facendo, il team ha scoperto decine di altri materiali che potenzialmente potrebbero offrire prestazioni simili.

“Ricerche precedenti avevano scoperto che altri materiali, tra cui l’argento, potevano fungere da buoni materiali all’anodo per le batterie allo stato solido”, ha dichiarato Li. “La nostra ricerca spiega un possibile meccanismo alla base del processo e fornisce un percorso per identificare nuovi materiali per la progettazione delle batterie”.

Resta ancora un problema: queste batterie comunque utilizzano il litio, un metallo che, per quanto scoperto in interessanti quantità, è ancora molto costoso da estrarre.