Scoperta del MIT apre la strada a batterie al litio allo stato solido e sicure

Una nuova scoperta del Massachusetts Institute of Technology potrebbe finalmente inaugurare lo sviluppo di batterie al litio allo stato solido, che sarebbero più leggere, compatte e sicure delle attuali batterie al litio. La crescita di filamenti metallici chiamati dendriti all’interno dell’elettrolita solido è stata a lungo un ostacolo al loro sviluppo, ma il nuovo studio spiega come si formano le dendriti e come manipolarle, ottenendo le tanto desiderate batterie allo stato solido durevoli.

La chiave di questo potenziale salto nella tecnologia delle batterie è la sostituzione dell’elettrolita liquido che si trova tra l’elettrodo positivo e quello negativo con uno strato molto più sottile e leggero di materiale ceramico solido e la sostituzione di uno degli elettrodi con litio metallico solido. In questo modo si ridurrebbero notevolmente le dimensioni e il peso complessivo della batteria e si eliminerebbe il rischio di sicurezza associato agli elettroliti liquidi, che sono infiammabili.

Le dendriti, il cui nome deriva dal latino e significa rami, sono proiezioni di metallo che possono accumularsi sulla superficie del litio e penetrare nell’elettrolita solido, estendendosi poi  da un elettrodo all’altro e mandare in cortocircuito la cella della batteria. I ricercatori non sono riusciti a trovare un accordo su cosa dia origine a questi filamenti metallici, né sono stati fatti molti progressi su come prevenirli e rendere così le batterie leggere allo stato solido un’opzione pratica.

La nuova ricerca, pubblicata sulla rivista Joule in un articolo del professore del MIT Yet-Ming Chiang, dal ricercatore Cole Fincher e di altri cinque ricercatori del MIT e della Brown University, sembra risolvere la questione di ciò che causa la formazione dei dendriti e di come impedire loro di mettere in contatto catodo e anodo.

Chiang ha detto che nel lavoro precedente il gruppo ha fatto una scoperta “sorprendente e inaspettata”, ovvero che il materiale elettrolitico duro e solido utilizzato per una batteria a stato solido può essere attraversato dal litio, che è un metallo molto morbido, durante il processo di carica e scarica della batteria, poiché gli ioni di litio si muovono tra gli elettrodi.

Questo spostamento di ioni fa sì che il volume degli elettrodi cambi. Ciò provoca inevitabilmente tensioni nell’elettrolita solido, che deve rimanere completamente a contatto con entrambi gli elettrodi tra cui è inserito. “Per depositare questo metallo, deve esserci un’espansione del volume perché si aggiunge nuova massa”, ha detto Chiang. “Quindi, c’è un aumento di volume sul lato della cella in cui viene depositato il litio. E se sono presenti anche solo microscopici difetti, questo genera una pressione su questi difetti che può causare crepe in cui si sviluppano i dendriti”.

Queste sollecitazioni causano le crepe che permettono la formazione delle dendriti. La soluzione al problema si rivela essere una maggiore sollecitazione, applicata nella giusta direzione e con la giusta quantità di forza.

Mentre in precedenza alcuni ricercatori pensavano che le dendriti si formassero attraverso un processo puramente elettrochimico, piuttosto che meccanico, gli esperimenti del team dimostrano che sono le sollecitazioni meccaniche a causare il problema.

Il processo di formazione dei dendriti avviene normalmente in profondità all’interno dei materiali opachi della cella della batteria e non può essere osservato direttamente, quindi Fincher ha sviluppato un modo per realizzare celle sottili utilizzando un elettrolita trasparente, che consente di vedere e registrare direttamente l’intero processo. “Si può vedere cosa succede quando si esercita una compressione sul sistema e si può vedere se le dendriti si comportano in un modo che è commisurato a un processo di corrosione o di frattura”, ha detto.

Il team ha dimostrato di poter manipolare direttamente la crescita delle dendriti semplicemente applicando e rilasciando la pressione, facendo sì che le dendriti facciano zig e zag in perfetto allineamento con la direzione della forza.

L’applicazione di sollecitazioni meccaniche all’elettrolita solido non elimina la formazione di dendriti, ma controlla la direzione della loro crescita. Ciò significa che possono essere indirizzati a rimanere paralleli ai due elettrodi, impedendo loro di attraversare l’altro lato e rendendoli quindi innocui.

Nei loro test, i ricercatori hanno utilizzato la pressione indotta dalla flessione del materiale, che è stato formato in una trave con un peso a un’estremità. Ma dicono che, in pratica, ci potrebbero essere molti modi diversi per produrre le sollecitazioni necessarie. Ad esempio, l’elettrolita potrebbe essere realizzato con due strati di materiale che presentano quantità diverse di espansione termica, in modo da provocare una flessione intrinseca del materiale, come avviene in alcuni termostati.

Un altro approccio potrebbe essere quello di “drogare” il materiale con atomi che, una volta aggiunti, lo  distorcano e lo lascino  in uno stato di stress permanente. È lo stesso metodo utilizzato per produrre il vetro super-duro usato negli schermi di smartphone e tablet, ha spiegato Chiang. La pressione necessaria non è estrema: gli esperimenti hanno dimostrato che una pressione compresa tra 150 e 200 megapascal era sufficiente per impedire alle dendriti di attraversare l’elettrolita.

La pressione richiesta è “commisurata alle sollecitazioni comunemente indotte nei processi di crescita dei film commerciali e in molti altri processi di produzione”, quindi non dovrebbe essere difficile da implementare nella pratica, ha aggiunto Fincher.

Fischer ha spiegato che in realtà un diverso tipo di stress, chiamato stack pressure, viene spesso applicato alle celle delle batterie, schiacciando essenzialmente il materiale nella direzione perpendicolare alle piastre della batteria – un po’ come comprimere un sandwich mettendoci sopra un peso. Si pensava che questo potesse aiutare a prevenire la separazione degli strati. Ma gli esperimenti hanno dimostrato che la pressione in quella direzione in realtà esacerba la formazione di dendriti, per cui era lo stesso processo produttivo della batteria a impedire che quella a stato solido funzionasse.

È invece necessaria una pressione lungo il piano delle piastre, come se il sandwich fosse compresso dai lati. “Quello che abbiamo dimostrato in questo lavoro è che quando si applica una forza di compressione si possono costringere i dendriti a viaggiare nella direzione della compressione”, ha detto Fincher, e se questa direzione è lungo il piano delle piastre, i dendriti “non arriveranno mai all’altro lato”.

Questo potrebbe finalmente rendere pratica la produzione di batterie con elettroliti solidi ed elettrodi di litio metallici. Queste batterie non solo potrebbero contenere più energia in un determinato volume e peso, ma eliminerebbero la necessità di utilizzare elettroliti liquidi, che sono materiali infiammabili.

Dopo aver dimostrato i principi di base, il prossimo passo del team sarà cercare di applicarli alla creazione di un prototipo di batteria funzionale, superando quello che sinora è stato il maggior limite alla produzione di batterie costose, perché contengono il litio, ma sicure.