Le batterie al litio metallico sono tra i candidati più promettenti per la prossima generazione di batterie ad alta energia.
Possono immagazzinare almeno il doppio dell’energia per unità di volume rispetto alle batterie agli ioni di litio oggi ampiamente utilizzate.
Ciò significherà, ad esempio, che un’auto elettrica potrà percorrere il doppio della distanza con una singola carica, oppure che uno smartphone non dovrà essere ricaricato così spesso.
Attualmente, le batterie al litio metallico presentano ancora uno svantaggio cruciale: l’elettrolita liquido richiede l’aggiunta di quantità significative di solventi e sali fluorurati, il che ne aumenta l’impatto ambientale. Senza l’aggiunta di fluoro, tuttavia, le batterie al litio metallico sarebbero instabili, smetterebbero di funzionare dopo pochissimi cicli di carica e sarebbero soggette a cortocircuiti, surriscaldamento e accensione. Un gruppo di ricerca guidato da Maria Lukatskaya, professoressa di Sistemi Energetici Elettrochimici presso l’ETH di Zurigo, ha ora sviluppato un nuovo metodo che riduce drasticamente la quantità di fluoro richiesta nelle batterie al litio metallico, rendendole così più ecologiche, stabili ed economiche.
Uno strato protettivo stabile aumenta la sicurezza e l’efficienza della batteria
I composti fluorurati dell’elettrolita favoriscono la formazione di uno strato protettivo attorno al litio metallico all’elettrodo negativo della batteria. “Questo strato protettivo può essere paragonato allo smalto di un dente”, spiega Lukatskaya. “Protegge il litio metallico dalla continua reazione con i componenti dell’elettrolita”. Senza di esso, l’elettrolita si esaurirebbe rapidamente durante il ciclo di ricarica, la cella si guasterebbe e la mancanza di uno strato stabile porterebbe alla formazione di filamenti di litio metallico – “dendriti” – durante il processo di ricarica, invece di uno strato piatto e conformato.
Se questi dendriti toccassero l’elettrodo positivo, si verificherebbe un cortocircuito con il rischio che la batteria si surriscaldi a tal punto da incendiarsi. La capacità di controllare le proprietà di questo strato protettivo è quindi fondamentale per le prestazioni della batteria. Uno strato protettivo stabile aumenta l’efficienza, la sicurezza e la durata della batteria.
Riduzione al minimo del contenuto di fluoro
“La questione era come ridurre la quantità di fluoro aggiunto senza compromettere la stabilità dello strato protettivo”, afferma il dottorando Nathan Hong. Il nuovo metodo del gruppo utilizza l’attrazione elettrostatica per ottenere la reazione desiderata. In questo caso, le molecole fluorurate elettricamente cariche fungono da veicolo per trasportare il fluoro verso lo strato protettivo. Ciò significa che è necessario solo lo 0,1% in peso di fluoro nell’elettrolita liquido, una quantità almeno 20 volte inferiore rispetto agli studi precedenti.
Il metodo ottimizzato rende le batterie più ecologiche
Il gruppo di ricerca dell’ETH di Zurigo descrive il nuovo metodo e i suoi principi fondamentali in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Energy & Environmental Science. È stata presentata domanda di brevetto.
Una delle sfide più grandi è stata trovare la molecola giusta a cui legare il fluoro e che si decomponesse nuovamente nelle giuste condizioni una volta raggiunto il litio metallico. Come spiega il gruppo, un vantaggio chiave di questo metodo è la sua perfetta integrazione nel processo di produzione delle batterie esistente, senza generare costi aggiuntivi per modificare l’impianto produttivo. Le batterie utilizzate in laboratorio avevano le dimensioni di una moneta. In una fase successiva, i ricercatori intendono testare la scalabilità del metodo e applicarlo alle celle a sacchetto, come quelle utilizzate negli smartphone.