Un team di ricercatori americani ha svelato qualcosa di sorprendente sulle batterie al litio
Per la prima volta nella storia, un gruppo di scienziati americani ha analizzato le proprietà meccaniche delle strutture microscopiche che si formano all’interno delle batterie al litio. I risultati ottenuti cambiano radicalmente il modo in cui pensiamo alla progettazione di questi dispositivi.
Una batteria agli ioni di litio standard, quella presente in uno smartphone o in un’auto elettrica, è composta da due elettrodi separati da un sottile strato isolante chiamato separatore. Durante la ricarica, sulla superficie dell’anodo di litio iniziano a crescere minuscoli aghi microscopici. I ricercatori li chiamano dendriti. Sono fino a cento volte più sottili di un capello umano.
Cosa succede quando i dendriti crescono senza controllo?
Queste strutture ad ago si allungano a ogni singolo ciclo di ricarica. Quando diventano abbastanza lunghe da attraversare il separatore, si crea un cortocircuito interno per gli elettroni. Invece di scorrere attraverso il circuito esterno, la carica si sposta direttamente da un elettrodo all’altro.
Il risultato è un cortocircuito interno, un riscaldamento rapido, un calo della capacità e, nei casi più estremi, incendi o esplosioni. Si stima che questo tipo di danno progressivo colpisca milioni di batterie ogni anno. I produttori cercano di nascondere il problema attraverso capacità di riserva e sistemi di sicurezza aggressivi, ma le leggi della fisica non possono essere aggirate all’infinito.
Tutti si sbagliavano: i dendriti non sono affatto morbidi
Negli ultimi anni si dava per scontato che i dendriti fossero altrettanto plastici del litio solido nella sua forma pura. La logica sembrava inattaccabile: poiché si formano da questo materiale, dovrebbero avere proprietà simili. Intere strategie per le batterie furono costruite su questa ipotesi, dalle nuove soluzioni elettrolitiche ai separatori rinforzati.
Un team di ricercatori del New Jersey Institute of Technology e della Rice University decise di mettere alla prova questa ipotesi apparentemente ovvia attraverso esperimenti concreti. Utilizzarono un microscopio elettronico avanzato in condizioni di vuoto per eliminare l’influenza di ossigeno e umidità. Poi piegarono i singoli dendriti uno per uno, misurando la loro risposta sotto sforzo.
Quello che osservarono non corrispondeva ad alcun manuale di fisica. Invece di una deformazione graduale, gli aghi di litio si spezzarono di colpo, senza alcuna piegatura preliminare. I dendriti si comportano come micro-aghi rigidi e fragili, non come metallo morbido e duttile.
La resistenza misurata era sorprendentemente elevata
La resistenza alla trazione misurata raggiunse circa 150 megapascal, mentre il litio solido ne ha appena 0,6 megapascal. Si tratta quindi di strutture oltre duecento volte più dure del materiale da cui si originano. La spiegazione risiede in un sottilissimo strato di ossido che si forma sulla superficie degli aghi in una frazione di secondo.
Questo strato nanometrico ha uno spessore di pochi nanometri, ma modifica completamente il comportamento del materiale, trasformandolo da metallo morbido a una struttura dura e fragile simile alla ceramica. Questi risultati sono stati pubblicati da ricercatori delle università del New Jersey e di Houston, Texas.
Ecco perché le batterie al litio perdono capacità e possono prendere fuoco
I ricercatori hanno identificato diversi problemi fondamentali legati ai dendriti:
- Minuscoli aghi di litio penetrano nel separatore e creano cortocircuiti interni
- A ogni ricarica i dendriti si allungano ulteriormente
- Lo strato di ossido sulla superficie trasforma le proprietà del materiale da morbido a fragile
- I frammenti che si spezzano formano quello che viene definito litio morto all’interno della batteria
- Il litio morto non partecipa più alla reazione chimica, ma rimane nell’elettrolita
- A ogni ciclo diminuisce la quantità di litio attivo, e con essa la capacità complessiva
- Le auto elettriche perdono autonomia gradualmente, gli smartphone perdono durata della batteria
Ogni ciclo di ricarica produce ulteriori frammenti. Nel tempo la capacità cala di decine di punti percentuali. L’utente lo percepisce come un’autonomia sempre più ridotta sullo smartphone o come un’autonomia chilometrica diminuita sull’auto elettrica. La batteria non è fisicamente consumata, ma una parte consistente del materiale è diventata elettrochimicamente inutilizzabile.
Un’autonomia tre volte superiore bloccata dalla fisica dei dendriti
Tutta questa problematica diventa ancora più rilevante se si considera la tecnologia delle batterie al litio metallico. In questa soluzione l’anodo di grafite viene sostituito con litio puro. In pratica, ciò significherebbe una densità energetica fino a tre volte superiore. Un’auto elettrica potrebbe percorrere non trecento, ma ottocento o novecento chilometri con una singola ricarica, senza aumentare le dimensioni della batteria.
Sembra il Santo Graal della tecnologia per veicoli elettrici. Non sorprende che grandi aziende investano miliardi di dollari nella ricerca in questo settore. Il problema è che i dendriti sono particolarmente pericolosi proprio in queste batterie: crescono più velocemente e in numero molto maggiore rispetto alle classiche batterie agli ioni di litio.
I ricercatori del NJIT hanno misurato una resistenza meccanica che ha sorpreso persino gli esperti più navigati. Le microstrutture rigide riescono a penetrare facilmente il separatore e alcuni materiali polimerici o ceramici. Questo spiega perché i concetti attuali basati su elettroliti solidi non siano ancora sufficienti.
Una nuova visione delle batterie: i materiali devono resistere ad aghi durissimi
I progetti attuali per accumulatori ultrasicuri si basano spesso su cosiddetti elettroliti solidi. In teoria, un tale materiale dovrebbe essere più resistente di uno liquido e bloccare la crescita dei dendriti come uno scudo. I risultati più recenti suggeriscono tuttavia che questo non basta.
I ricercatori indicano tre possibili direzioni per il lavoro futuro. La prima riguarda lo sviluppo di nuove leghe di litio, ovvero l’aggiunta di altri elementi per limitare la formazione del duro strato di ossido e modificare il pattern di crescita degli aghi. La seconda direzione riguarda i separatori con una struttura flessibile, che non siano solo più resistenti ma capaci di assorbire le tensioni meccaniche.
La terza via sono gli additivi nell’elettrolita, composti chimici che controllano la struttura cristallina dei dendriti appena formati, facendoli crescere più lentamente o in una direzione meno pericolosa. Queste soluzioni potrebbero rendere le batterie ad alta densità energetica del futuro non solo più capaci, ma anche significativamente più durevoli e meno inclini a guasti improvvisi.
Cosa significa tutto questo per le auto elettriche e lo stoccaggio di energia?
Se si riuscisse a domare completamente i dendriti, gli accumulatori al litio metallico potrebbero diventare lo standard nei veicoli con un’autonomia paragonabile, o addirittura superiore, a quella delle tradizionali auto a combustione interna. Per l’automobilista comune vorrebbe dire ricaricare ogni due o tre giorni anziché quotidianamente, con molta meno ansia per i lunghi viaggi.
Queste batterie si presterebbero anche allo stoccaggio di energia prodotta da pannelli solari e turbine eoliche. In questo ambito ogni kilowattora aggiuntivo compresso in un singolo modulo conta, così come il numero di cicli che il sistema regge prima di dover essere sostituito. Accumulatori più durevoli e stabili potrebbero abbassare i costi dello stoccaggio di energia da fonti rinnovabili, una delle sfide più importanti della transizione energetica verde.
Per l’utente comune, questo cambiamento di prospettiva significa soprattutto una cosa: la concreta possibilità che le batterie di telefoni, laptop e automobili, tra qualche anno, non siano più associate al degrado rapido e al rischio di autocombustione. Al contrario, potrebbero diventare un elemento affidabile e longevo nell’infrastruttura della vita quotidiana. Hai mai notato un calo rapido della capacità nel tuo smartphone o nella tua bici elettrica?
