Passa dalla carica il metodo che “doma” il litio metallico

Team di ricercatori guidato dal Politecnico svedese di Chalmers perfeziona un metodo di carica che minimizza i problemi di sicurezza e perdita di efficienza delle celle su cui si punta per ottenere una più alta densità di energia

Il campo delle batterie con anodi in litio metallico è tra quelli investigati con maggiore intensità per arrivare a esemplari più densi di energia e ancora meglio sfruttabili, in particolare ma non solo per i veicoli elettrici. La loro densità di energia è significativamente più alta grazie alle proprietà della sottile lamina di litio metallico usata all’anodo al posto della grafite (a volte con piccole percentuali di silicio) comune negli anodi delle batterie agli ioni di litio che usiamo quotidianamente.

Il litio metallico ha una capacità specifica teorica di 3860 mAh g-1 contro i 372 mAh g-1 della grafite; anche se queste grandezze non sono familiari, è sufficiente la prima elementare per accorgersi che i valori coinvolti sono dieci volte più grandi nel litio metallico, che ha anche un potenziale di riduzione più basso (-3,04V) rispetto alla grafite.

Liberandosi della grafite, la proporzione di materiale attivo in una cella diviene molto più grande, aumentando la sua densità di energia e riducendone il peso. Passare al litio metallico all’elettrodo negativo consente anche di usare materiali ad alta capacità all’elettrodo positivo (il catodo). Ma il litio metallico, le cui qualità sono già conosciute da decenni, ha avuto finora un problema di sicurezza.

In due articoli pubblicati sulle riviste scientifiche Advanced Energy Materials e Advanced Science ricercatori di Chalmers, il più prestigioso Politecnico svedese insieme a colleghi di università russe, cinesi e coreane hanno presentato un metodo per utilizzare il litio metallico in modo appropriato e sicuro.

Il tutto grazie a una cella che eviti durante il processo di carica che il metallo più leggero della tabella periodica degli elementi sviluppi le strutture a spillo note come dendriti, che possono forare i separatori tra gli elettrodi e creare corti circuiti portando in qualche caso a sviluppare incendi nelle batterie. Il fattore chiave è quindi un metodo basato sui processi di carica e scarica che ne assicuri la sicurezza.

Il ricercatore Shizhao Xiong del dipartimento di fisica di Chalmers ha commentato: “i corti circuiti nelle batterie al litio metallico di solito si verificano per il metallo che si deposita in modo disuguale durante il ciclo di carica e per la formazione di dendriti sull’anodo. Questi aghi sporgenti sono la causa del venire a diretto contatto di anodo e catodo, pertanto il prevenire la loro formazione è cruciale. Il nostro metodo può contribuire a questo”.

Ci sono un numero di diversi fattori che controllano come il litio si distribuisce sull’anodo. Nel corso del processo elettrochimico che avviene durante la carica, la struttura del litio metallico è principalmente influenzata da densità di corrente, temperatura e concentrazione di ioni nell’elettrolita. Le ricerche hanno utilizzato simulazioni ed esperimenti per determinare come la carica possa essere ottimizzata basandosi su parametri relativi a questi fattori.

La rappresentazione schematica del comportamento di elettrodeposizione del litio al crescere della densità di corrente durante la fase di carica. (credito immagine: tratta da “Role of Li‐Ion Depletion on Electrode Surface: Underlying Mechanism for Electrodeposition Behavior of Lithium Metal Anode”, A. Matic et al. licenza CC BY 4.0)

Lo scopo è creare una struttura densa ed idealmente uniforme sull’anodo in litio metallico. In base a simulazioni ed esperimenti, la conclusione è stata che durante la carica abbassare le densità di corrente sulla superficie dell’elettrodo sia la chiave per ottenere una elettrodeposizione del litio che possa evitare i dendriti ottenendo una stabilità interfacciale più elevata e una migliorata efficienza coulombica.

Inoltre è stato confermato che temperature elevate e alta concentrazione di sali nell’elettrolita sono parimenti barriere alla formazione di dendriti. Nell’immagine di apertura, si possono notare in alto le distribuzioni più uniformi del litio sulla superfice nel caso degli elettroliti in alto più concentrati: A) [Li(G4)][TFSI], B) [Li(G4)2][TFSI], rispetto a quelli più diluiti C) [Li(G4)4][TFSI], e infine D) [Li(G4)8][TFSI].

“Fare sì che gli ioni nell’elettrolita si organizzino nel modo esattamente corretto quando diventano atomi di litio durante la carica è una sfida difficile. La nostra conoscenza riguardo al come controllare il processo sotto differenti condizioni può contribuire ad ottenere batterie al litio metallico più sicure ed efficienti”, ha commentato nella nota ufficiale dell’università svedese il Professor Aleksandar Matic.

La ricerca guidata dal Professore del dipartimento di fisica di Chalmers e dal ricercatore Shizhao Xiong in Svezia è stata appoggiata dalle entità FORMAS, STINT, dall’Unione Europea e da Chalmers Areas of Advance. Altri ricercatori che hanno collaborato appartenevano in Russia a Lomonosov Moscow State University, in Cina alla Xi’an Jiaotong University e in Corea del Sud alla Chonnam National University e Hanyang University in Korea.

Gli articoli pubblicati sono open access: il primo, accessibile a questo link, è stato intitolato Insight into the Critical Role of Exchange Current Density on Electrodeposition Behavior of Lithium Metal” ed è apparso su Advanced Science. L’altra pubblicazione in Advanced Energy Materials si chiama “Role of Li ‐ Ion Depletion on Electrode Surface: Underlying Mechanism for Electrodeposition Behavior of Lithium Metal Anode” ed è consultabile qui.

credito immagine di apertura: tratta da “Role of Li‐Ion Depletion on Electrode Surface: Underlying Mechanism for Electrodeposition Behavior of Lithium Metal Anode” A. Matic et al. (CC BY 4.0)