Batterie litio-metallo, cosa sono e come possono diventare più sicure

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio (Li-Ion) alimentano smartphone, veicoli elettrici e accumulatori di energia solare ed eolica, così come molti altri dispositivi tecnologici. È il lavoro svolto nei agli ’70 e ’80 da John Goodenough, recentemente scomparso, e dai suoi colleghi ad aver permesso la commercializzazione delle prime batterie di questo tipo sin dal 1991. Le batterie litio-metallo, tuttavia, hanno il potenziale per contenere circa il doppio dell’energia rispetto alle Li-Ion ma presentano maggiori rischi di prendere fuoco o addirittura esplodere.

Batterie litio-metallo e ioni di litio: le differenze in breve

Le batterie litio-metallo (lithium-metal) e le batterie Li-Ion sono entrambe tipologie di batterie ricaricabili che utilizzano il litio come materiale attivo per i rispettivi elettrodi. Le prime, conosciute anche come Li-Metal o Li-Primary, sono così chiamate perché il loro anodo è composto da litio metallico puro.

Come accennato in precedenza, questo tipo di batterie offre un’elevata capacità: possono immagazzinare una maggiore quantità di energia in un volume e peso ridotti rispeto alle Li-Ion. Il principale problema delle batteria Li-Metal è che esse evidenziano una più spiccata tendenza alla formazione di dendriti di litio durante i cicli di ricarica: essi possono portare a cortocircuiti interni e problemi di sicurezza. Il fenomeno di generazione dei dendriti interessa anche i prodotti Li-Ion: lo spieghiamo nell’articolo sul perché della batteria gonfia. In generale, però, le batterie agli ioni di litio sono molto più sicure e stabili.

I problemi intrinseci delle batterie litio-metallo spiegano il motivo per cui non sono ancora ampiamente utilizzate e sono in fase di sviluppo e ricerca.

La scoperta che apre le porte alla realizzazione di batterie litio-metallo più sicure

Uno studio condotto dai membri del California NanoSystems Institute (Università della California) mette in evidenza un’importante novità che potrebbe condurre alla progettazione e alla realizzazione di batterie litio-metallo più sicure che superano le attuali Li-Ion. Il lavoro è stato appena pubblicato sulla rivista scientifica Nature suscitando immediato interesse da parte della comunità internazionale.

Gli scienziati autori della ricerca spiegano che il litio metallico reagisce così facilmente con le sostanze chimiche che, in condizioni normali, si presenta quasi immediatamente un fenomeno di corrosione. Ad esempio quando il metallo viene depositato su una superficie come l’elettrodo di una batteria.

La forma che assumono gli atomi di litio quando si combinano tra loro

Gli studiosi hanno però sviluppato una tecnica che previene tale corrosione mostrando che, in sua assenza, gli atomi di litio si dispongono sempre “disegnando” una forma sorprendente: il dodecaedro rombico, una figura a 12 facce simile a quella dei dadi usati nei giochi di ruolo come Dungeons and Dragons. Sono figure non più grandi di 2 milionesimi di metro, al massimo la lunghezza media di un singolo batterio.

Una batteria agli ioni di litio immagazzina atomi di litio caricati positivamente in una struttura di carbonio simile a una gabbia che riveste un elettrodo. Al contrario, una batteria litio-metallo riveste l’elettrodo con litio metallico. Così, si arriva ad avere 10 volte più litio nello stesso spazio rispetto alle batterie agli ioni di litio. Ciò spiega sia l’aumento delle prestazioni (maggiore quantità di energia immagazzinabile) sia i maggiori rischi intrinseci sul piano della sicurezza rispetto alle batterie Li-Ion.

La rivelazione della vera forma del litio in assenza di corrosione, suggerisce che il rischio di esplosione per le batterie al litio-metallo può essere significativamente ridotto. Questo perché gli atomi si accumulano in una forma ordinata anziché ramificarsi e presentare pericolose punte sporgenti (rischio di cortocircuiti).

I ricercatori hanno potuto accertare la forma del litio grazie a una tecnica di imaging chiamata microscopia crioelettronica o Cryo-EM, onnipresente nelle bioscienze per determinare le strutture di proteine ​​e virus.

La scoperta di grandissima valenza nella scienza dei materiali, potrebbe anche avere implicazioni sostanziali per massimizzare l’efficienza energetica e migliorare le modalità di alimentazione di qualunque genere di dispositivo, indipendentemente dal suo fattore di forma.