Per le batterie al litio metallico è possibile estendere la durata del 30%

Scienziati del laboratorio americano SLAC e della Stanford University fanno progressi sul processo che consentirà di recuperare il litio morto alla capacità delle celle

Un gruppo di ricercatori misto di Stanford University e SLAC National Accelerator Laboratory potrebbe aver trovato una soluzione pratica importante a uno dei problemi che hanno finora frenato la commercializzazione su larga scala di celle al litio metallico: un tipo di batterie la cui capacità e durata è ritenuta essenziale per imprimere una svolta alla popolarità dei veicoli elettrici e più in generale alla vita di tutte i dispositivi che hanno bisogno di energia per funzionare a lungo.

Uno dei principali scogli nella diffusione di batterie ad alta densità di energia con anodi in litio metallico è la loro tendenza al rapido decadimento, e quindi alla breve durata utile della cella, per la caratteristica di parti di questo metallo a isolarsi, finendo per formare quello che anche molti scienziati definiscono litio morto.

In precedenza molta ricerca riteneva che questo litio isolato ed inattivo fosse permanentemente perso per la capacità utile di una batteria e numerosi lavori hanno preferito quindi dedicarsi soprattutto a identificare soluzioni pratiche per evitare quanto più possibile la formazione di dendriti e di litio morto.

Ma studi di gruppi di ricerca e di consorzi come Battery500 hanno portato a considerare che un conto sono i filamenti di litio molto sottili e con strutture “gotiche”, probabilmente irrecuperabili, e un altro le isole di litio che si formano in molte celle. Così c’è chi ha progettato e realizzato una cella sperimentale per osservare il comportamento effettivo di questo “arcipelago” di isole di litio separate dall’elettrodo negativo per capire se il processo fosse davvero irreversibile.

La conclusione è stata che questo litio risponde ancora a interventi esterni, grazie all’esistenza del campo elettrico e si può, sviluppando un opportuno protocollo di ricarica, spingerlo molto lentamente (al ritmo di oltre 30 μm in tre ore) verso l’area principale del materiale attivo per recuperate capacità in una batteria al litio metallico.

Yi Cui, professore a Stanford e scienziato dello SLAC che ha guidato la ricerca, non si tira indietro nel cercare esempi che chiariscano la dinamica del processo che studiano: “è come un verme molto lento che spinge la testa in avanti e tira la coda per muoversi nanometro dopo nanometro. In questo caso, si sposta dissolvendosi su un’estremità e depositando materiale sull’altra estremità. Se riusciamo a mantenere in movimento il verme di litio, alla fine toccherà l’anodo e ristabilirà la connessione elettrica”.

Il lento movimento del litio isolato si può creare aggiungendo litio metallico al lato più vicino all’elettrodo e dissolvendolo sul lato più esterno: il tutto grazie a brevi interventi di scarica a corrente elevata subito dopo la ricarica della batteria, come raffigurato nel quadro visibile più a destra dell’immagine di apertura.

Aggiungere questo step al protocollo ha rallentato negli esperimenti di laboratorio il degrado della batteria contribuendo ad allungarne la vita utile quasi del 30%. Uno studio relativo a questi esperimenti è stato appena pubblicato sulla rivista scientifica Nature col titolo “Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations”.

“Stiamo ora esplorando il potenziale recupero della capacità persa nelle batterie agli ioni di litio utilizzando una fase di scarica estremamente rapida”, ha confermato Fang Liu, la borsista post-dottorato di Stanford che del paper apparso su Nature è stata leading author.

“Ho sempre pensato che il litio isolato fosse dannoso, poiché causa il decadimento delle batterie e perfino il loro prender fuoco. Ma abbiamo scoperto come ricollegare elettricamente questo litio “morto” con l’elettrodo negativo per riattivarlo”, ha detto Yi, che oltre ad essere molto produttivo come autore e scienziato è anche, assieme al collega Will Chueh, l’host di una seguita serie di webinar sull’innovazione nelle batterie.

L’idea per lo studio è nata quando Cui ha ipotizzato che l’applicazione di una tensione al catodo e all’anodo di una batteria potesse far muovere fisicamente un’isola di litio morto tra gli elettrodi, un processo che il suo gruppo ha ora confermato con i loro esperimenti.

Gli scienziati hanno fabbricato una cella ottica il cui catodo aveva la commercialmente diffusa chimica NMC 532 (nichel, cobalto, manganese), un anodo di litio e un’isola di litio presa nel mezzo. Questo dispositivo di prova ha permesso loro di tracciare in tempo reale cosa succede all’interno di una batteria quando è in uso.

Hanno scoperto che l’isola di litio non era affatto “morta”, ma rispondeva alle operazioni della batteria. Durante la ricarica di energia della cella, l’isola si è mossa lentamente verso il catodo; durante la scarica, si è spostata nella direzione opposta.

“Abbiamo scoperto che possiamo spostare il litio staccato verso l’anodo durante la scarica, e questi movimenti sono più veloci sotto correnti più elevate”, ha aggiunto la dottoressa Fang. “Quindi abbiamo aggiunto una fase di scarica rapida e ad alta corrente subito dopo la ricarica della batteria, che ha spostato il litio isolato abbastanza lontano da ricollegarlo all’anodo. Questo riattiva il litio in modo che possa partecipare alla vita della batteria. I nostri risultati hanno anche ampie implicazioni per la progettazione e lo sviluppo di batterie al litio metallico più robuste”.

I risultati, che gli scienziati hanno convalidato con altre celle sottoposte a test e tramite simulazioni al computer, dimostrano anche come il litio isolato in celle al litio metallico potrebbe essere recuperato in batterie reali modificando il protocollo di ricarica e quindi migliorandone la durata.

Credito immagine di apertura: Fang Liu, Ph.D., Cui Group, Stanford University