Alle batterie al litio metallico occorre soltanto un po’ di… riposo

Ricercatori della Stanford University hanno scoperto che è possibile migliorare la durata di una cella al litio metallico semplicemente scaricandola e lasciandola riposare per diverse ore

I veicoli elettrici di prossima generazione potrebbero funzionare con batterie al litio metallico in grado di viaggiare da 500 a 700 miglia (da 804 a 1.126 chilometri) con una singola carica, il doppio dell’autonomia delle batterie agli ioni di litio convenzionali nei veicoli elettrici di oggi.

Attraente, certo, ma le celle finora sviluppate e presentate in forma di prototipi si degradano rapidamente durante il funzionamento. Nella tecnologia con anodi al litio metallico, la batteria perde rapidamente la sua capacità di immagazzinare energia dopo relativamente pochi cicli di carica e scarica, rendendola poco pratica per automobilisti che si aspettano che auto al 100% elettriche si possano ricaricare per lustri di seguito, se non per decenni.

In California, nel cuore della ricerca della Silicon Valley, scienziati hanno testato una varietà di nuovi materiali e tecniche per migliorare la durata di questa tecnologia. I ricercatori della Stanford University hanno scoperto una soluzione estremamente pratica e quindi anche economica: scaricare la batteria e lasciarla riposare per diverse ore.

Questo approccio semplice, diventato il soggetto di un nuovo paper pubblicato sulla rivista Nature, ha mantenuto elevata la capacità della cella al litio metallico e aumentato le prestazioni complessive.

“Stavamo cercando il modo più semplice, economico e veloce per migliorare la vita ciclica del litio metallico”, ha detto il co-autore principale dello studio Wenbo Zhang, studente di dottorato di Stanford in scienza e ingegneria dei materiali. “Abbiamo scoperto che facendo riposare la batteria nello stato di scarica, la capacità persa può essere recuperata e la durata del ciclo aumentata. Questi miglioramenti possono essere realizzati semplicemente riprogrammando il software di gestione della batteria, senza costi aggiuntivi o modifiche necessarie per le apparecchiature, i materiali o il flusso di produzione”.

I risultati dello studio potrebbero fornire ai produttori di batterie per veicoli elettrici approfondimenti pratici sull’adattamento della tecnologia al litio metallico alle condizioni di guida del mondo reale, ha dichiarato nella nota stampa diffusa dall’ateneo californiano l’autore senior dello studio Yi Cui, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la School of Engineering di Fortinet Founders e professore di scienza e ingegneria energetica presso la Stanford Doerr School of Sustainability.

“Le batterie al litio metallico sono state oggetto di molte ricerche”, ha detto Cui. “I nostri risultati possono aiutare a guidare studi futuri che aiuteranno l’avanzamento delle batterie al litio metallico verso un ampio adattamento commerciale”.

Una cella agli ioni di litio convenzionale è costituita da due elettrodi, un anodo di grafite e un catodo ternario (oggi spesso ad elevato contenuto di nichel) oppure a base ferrosa, separati da un elettrolita liquido che trasporta gli ioni di litio avanti e indietro nei processi di carica e scarica.

In una batteria al litio metallico, l’anodo di grafite viene sostituito con litio metallico elettrolitico, che consente di immagazzinare il doppio dell’energia di una batteria agli ioni di litio nella stessa quantità di spazio.

L’anodo di litio metallico pesa anche meno dell’anodo di grafite, il che non è irrilevante in veicoli elettrici che stentato a raggiungere la stessa massa di modelli tradizionali dello stesso segmento. Le batterie al litio metallico possono contenere almeno un terzo di energia in più per libbra (0,454 chilogrammi) rispetto agli ioni di litio.

“Un’auto dotata di una batteria al litio metallico avrebbe il doppio dell’autonomia di un veicolo agli ioni di litio di pari dimensioni: 600 miglia per carica contro 300 miglia, ad esempio”, ha detto il co-autore principale Philaphon Sayavong, studente di dottorato in chimica. “Nei veicoli elettrici, l’obiettivo è quello di mantenere la batteria il più leggera possibile, estendendo al contempo l’autonomia del veicolo”.

Raddoppiare l’autonomia potrebbe eliminare l’ansia da autonomia per gli automobilisti riluttanti ad acquistare veicoli elettrici. Sfortunatamente, la carica e la scarica continue fanno sì che le batterie al litio metallico si degradino rapidamente, rendendole inutili per l’impiego di routine dei veicoli.

Quando la batteria è scarica, i frammenti di litio metallico delle dimensioni di un micron si isolano e rimangono intrappolati nell’interfase dell’elettrolita solido (SEI), una matrice spugnosa che si forma nel punto in cui l’anodo e l’elettrolita si incontrano.

“La matrice SEI è essenzialmente un elettrolita decomposto”, ha spiegato Zhang. “Circonda pezzi isolati di litio metallico strappati dall’anodo e impedisce loro di partecipare a qualsiasi reazione elettrochimica. Per questo motivo, consideriamo morto il litio isolato“.

Ricariche e scariche ripetute provocano l’accumulo di ulteriore litio morto, causando una rapida perdita di capacità della batteria. “Un veicolo elettrico con una nuova batteria al litio metallico perderebbe autonomia a un ritmo molto più veloce rispetto a un veicolo elettrico alimentato da una batteria agli ioni di litio”, ha commentato Zhang il risultato di un trattamento delle batterie che non tenga conto della prevenzione per lo stato di salute delle celle.

In un lavoro precedente, Sayavong e i suoi colleghi hanno scoperto che la matrice SEI inizia a dissolversi quando la batteria è inattiva. Sulla base di questa scoperta, il team di Stanford ha deciso di vedere cosa sarebbe successo se la cella al litio metallico fosse stata lasciata a riposo mentre era scarica.

“Il primo passo è stato quello di scaricare completamente la batteria in modo che non ci fosse corrente che la attraversasse”, ha detto Zhang. “La scarica rimuove tutto il litio metallico dall’anodo, quindi tutto ciò che rimane sono pezzi inattivi di litio isolato circondati dalla matrice SEI”. Il passo successivo è stato quello di lasciare la batteria al minimo.

“Abbiamo scoperto che se la batteria rimane scarica per una sola ora, parte della matrice SEI che circonda il litio morto si dissolve”, ha detto Sayavong. “Quindi, quando si ricarica la batteria, il litio morto si ricollegherà con l’anodo, perché c’è meno massa solida che si intromette”.

Ricollegarlo con l’anodo rianima il litio morto, consentendo alla batteria di generare più energia e prolungarne la durata. “In precedenza, pensavamo che questa perdita di energia fosse irreversibile”, ha detto Cui. “Ma il nostro studio ha dimostrato che possiamo recuperare la capacità persa semplicemente facendo riposare la batteria scarica”.

Utilizzando la microscopia video time-lapse, i ricercatori hanno confermato visivamente la disintegrazione della SEI residua e il successivo recupero del litio metallico morto durante la fase di riposo. Il guidatore americano medio trascorre circa un’ora al volante ogni giorno, quindi l’idea di far riposare la batteria dell’auto per diverse ore è fattibile.

Un tipico veicolo elettrico può avere 4.000 celle disposte in moduli controllati da un sistema di gestione della batteria, un chip che monitora e controlla le prestazioni della batteria. In una batteria al litio metallico, il sistema di gestione esistente può essere programmato per scaricare completamente un singolo modulo in modo che abbia una capacità residua pari a zero per la fase di riposo necessaria.

“Questo approccio non richiede nuove tecniche di produzione o materiali costosi”, ha aggiunto Zhang. “È possibile implementare il nostro protocollo con la stessa velocità necessaria per scrivere il codice del sistema di gestione della batteria. Riteniamo che in alcuni tipi di batterie al litio metallico, il solo riposo allo stato di scarica possa aumentare significativamente la durata del ciclo dei veicoli elettrici”.

I risultati degli scienziati di Stanford potrebbero essere un ulteriore “mattone” all’edificio ancora da realizzare dell’interazione tra rete elettrica e mezzi mossi dalle batterie, per sfruttare il vantaggio di avere “batterie con le ruote” riducendo gli impianti di accumulo e i relativi costi duplicando la funzione dei veicoli passeggeri (ma anche commerciali, autobus e scuolabus) grazie all’elevato numero di ore di sosta a cui la maggior parte di essi è soggetta.

Sono passate solo poche settimane da quando ricercatori di eminenti istituti tedeschi hanno ribadito in un loro studio di non aver accertato nell’impiego V2X delle batterie delle auto elettriche sostanziali problemi dopo impieghi V2H (vehicle-to-home) o V2G (vehicle-to-grid). Sempre più case auto stanno aprendo a queste possibilità e l’ultimo esempio è l’inizio della produzione di appositi wallbox da parte della divisione Renault Mobilize col partner Lacroix.

Ma una cosa è dire che, come nel caso delle attuali batterie agli ioni di litio gli impieghi dei veicoli non comportano danni alle loro celle. E un’altra, completamente diversa, è affermare come stanno facendo gli scienziati californiani che per le future batterie al litio metallico fasi di scarica e di riposo sono benefici o necessari.

In questo caso, i progressi della tecnologia di gestione dell’energia e l’integrazione rete/batterie potrebbero avere un sostanziale boost. Pensiamo ad esempio alla batteria dell’auto di famiglia, in grado di contribuire in certi orari a fornire energia alla pompa di calore casalinga (alleggerendo il carico sulla rete generale), in altri orari starsene in fase di riposo e altri ancora ricaricare per il viaggio del mattino.