L’UCLA apre la strada a un litio migliore

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Inventate da John B. Goodenough negli anni '80, le batterie agli ioni di litio sono una parte indispensabile della nostra vita. Costituiscono efficaci sistemi di accumulo dell'energia elettrica e vengono utilizzati nell'elettronica, nei giocattoli, negli utensili elettrici portatili, nei piccoli e grandi elettrodomestici, nelle cuffie wireless, nei veicoli elettrici, ecc.

Ma arrivano con i loro rischi e sfide. Se caricate troppo velocemente, queste batterie possono esplodere o provocare incendi. Possono fornire correnti estremamente elevate e possono scaricarsi rapidamente se cortocircuitati.

Infatti, oltre 100 biciclette sono esplose a New York a causa delle batterie agli ioni di litio che alimentano quelle biciclette. Solo quest’anno il bilancio è stato di 13 morti.

Le batterie agli ioni di litio discendono da un'altra tecnologia: la batteria al litio-metallo, che ha un potenziale di esplosione maggiore, dato che ha circa il doppio della capacità energetica.

Una batteria agli ioni di litio immagazzina atomi di litio caricati positivamente in una struttura di carbonio a forma di gabbia che riveste un elettrodo. Mentre una batteria al litio-metallo riveste invece l’elettrodo con litio metallico, che racchiude 10 volte più litio nello stesso spazio. Ciò conferisce a quest'ultimo una batteria più performante.

E ora, uno studio condotto da un gruppo di ricerca dell’Università della California a Los Angeles (UCLA) afferma di aver trovato un modo per impedire l’esplosione delle batterie al litio-metallo. Ciò potrebbe portare a batterie al litio-metallo più sicure, con il potenziale di superare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio.

Se le correnti di carica e scarica e la temperatura delle batterie sono controllate, sono sicure. Ma il litio metallico può corrodersi immediatamente quando il metallo viene appoggiato su una superficie, come un elettrodo, perché reagisce rapidamente con le sostanze chimiche. Ma il team dell’UCLA ha sviluppato una tecnica che previene questa corrosione.

Il team ha impedito la corrosione e ha scoperto che invece delle forme "grosse" o "a colonna" che normalmente assume la struttura del litio metallico, hanno visto un singolare poliedro, che il team descrive come un "dodecaedro rombico, una figura a 12 lati". simili ai dadi utilizzati nei giochi di ruolo come Dungeons and Dragons", nel comunicato stampa.

In assenza di corrosione, il team ha affermato che il poliedro singolare è la vera forma del litio. La scoperta può avere implicazioni significative per la tecnologia energetica ad alte prestazioni.

"Scienziati e ingegneri hanno prodotto oltre due decenni di ricerca sulla sintesi di metalli tra cui oro, platino e argento in forme come nanocubi, nanosfere e nanoasta", ha affermato Yuzhang Li, coautore dello studio. "Ora che conosciamo la forma del litio, la domanda è: possiamo sintonizzarlo in modo che formi cubi, che possano essere imballati densamente per aumentare sia la sicurezza che le prestazioni delle batterie?"

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista peer-reviewed Nature.

Estratto dello studio:

L'elettrodeposizione del litio (Li) metallico è fondamentale per le batterie ad alta energia. Tuttavia, la formazione simultanea di un film di corrosione superficiale chiamato interfase dell’elettrolita solido (SEI) complica il processo di deposizione, che è alla base della nostra scarsa comprensione dell’elettrodeposizione del metallo Li. Qui disaccoppiamo questi due processi intrecciati superando la formazione di SEI a densità di corrente di deposizione ultraveloce evitando allo stesso tempo le limitazioni del trasporto di massa. Utilizzando la microscopia elettronica criogenica, scopriamo che la morfologia di deposizione intrinseca del Li metallico è quella di un dodecaedro rombico, che è sorprendentemente indipendente dalla chimica dell'elettrolita o dal substrato del collettore di corrente. In un'architettura a celle a bottone, questi dodecaedri rombici mostrano una connettività quasi puntuale con il collettore di corrente, che può accelerare la formazione di Li inattivo. Proponiamo un protocollo di corrente pulsata che supera questa modalità di guasto sfruttando il dodecaedro rombico di Li come semi di nucleazione, consentendo la successiva crescita di Li denso che migliora le prestazioni della batteria rispetto a una linea di base. Sebbene la deposizione di Li e la formazione di SEI siano sempre state strettamente collegate negli studi passati, il nostro approccio sperimentale offre nuove opportunità per comprendere fondamentalmente questi processi disaccoppiati gli uni dagli altri e apportare nuove intuizioni per progettare batterie migliori.