Un nuovo traguardo per l’energy storage
(Rinnovabili.it) – Bastano 10 minuti per una ricarica completa e può durare per migliaia di cicli senza perdite significative di capacità. È la nuova batteria a stato solido in litio metallico realizzata da un gruppo di ingegneri negli Stati Uniti. Ci troviamo alla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, nel Massachusetts, dove il professore Xin Li e alcuni colleghi hanno compito fondamentali passi avanti nella comprensione della reazione di interfaccia tra il litio e i materiali all’anodo.
Come spiega lo stesso Li “le batterie con anodi metallici di litio sono considerate il Santo Graal” delle ricaricabili dal momento che possiedono una capacità 10 volte maggiore degli anodi di grafite commerciali. E “potrebbero aumentare drasticamente l’autonomia dei veicoli elettrici […] La nostra ricerca rappresenta un passo importante verso batterie allo stato solido più pratiche per applicazioni industriali e commerciali”.
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Batterie al litio metallico: vantaggi e svantaggi
Le batterie al litio metallico offrono grandi vantaggi al mondo dell’accumulo energetico. Grazie ad una capacità specifica del materiale di 3.860 mAh/g e ad un potenziale redox molto basso oggi sono oggetto di attenzione per molte aziende e gruppo di ricerca. In realtà dei primi dispositivi funzionanti erano stati portati sul mercato negli anni ’80 da un produttore taiwanese ma rapidamente ritirati dopo che diverse celle presero fuoco. Un incidente di cui oggi si conosce bene la causa. Il problema principale con questa tecnologia sta, nella formazione di dendriti, sottili strutture ramificate e aghiformi generate dal processo di placcatura disomogenea degli ioni litio sulla superficie dell’anodo. Queste strutture crescono come radici nell’elettrolita e perforano la barriera che separa anodo e catodo, provocando il cortocircuito e in alcuni casi addirittura l’incendio dell’unità.
Lo studio del problema ha permesso in questi anni di allungare la vita delle batterie al litio metallico ricaricabili e oggi si contano almeno sei aziende al lavoro sulla tecnologia con prodotti e risultati differenti.
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La nuova batteria a stato solido in litio metallico
La ricerca del gruppo guidato da Xin Li si è focalizzata su una batteria al litio metallico con elettrolita allo stato solido anziché liquido e ha aggiunto un ingrediente all’architettura “standard” per prevenire i dendriti: micro particelle di silicio nell’anodo. Tali elementi riescono a restringere la reazione di litiazione facilitando un processo di placcatura omogeneo.
Nel dettaglio quando gli ioni di litio raggiungono l’anodo, si attaccano alla superficie della particella di silicio senza penetrare ulteriormente. Risultato impossibile con un elettrolita liquido, caso in cui è stato dimostrato che il litio penetra in profondità nella particella distruggendola.
L’approccio di Li e colleghi permette di creare una superficie omogenea su cui la densità di corrente è distribuita uniformemente, impedendo la crescita dei dendriti e riducendo il tempo di carica a soli 10 minuti circa. Il team ha realizzato una versione a sacchetto 10-20 volte più grande delle celle a bottone prodotte nella maggior parte dei laboratori universitari, che ha mantenuto l’80% della sua capacità dopo 6.000 cicli di carica/scarica, superando le altre batterie a sacchetto oggi disponibili sul mercato. La ricerca è stata pubblicata su Nature Materials (testo in inglese).