Un nuovo design per le batterie con elettrolita solido, che combina litio e sodio metallico, evita di dovere applicare una pressione di stack
Migliorare le batterie allo stato solido e a base di litio (Li) aggiungendo al metallo un componente un po’ più “morbido”: questa è la strategia attuata dai ricercatori del Georgia Institute of Technology (Stati Uniti), creatori di una nuova ricetta per l’accumulo elettrochimico.
Il team ha messo mano a uno dei problemi di base di questa nuova generazione di batterie, vale a dire la formazione di vuoti all’interfaccia litio-elettrolita durante il ciclo di carica. Per comprendere appieno il progresso realizzato, è però necessario fare qualche passo indietro.
Batterie allo stato solido: un’alternativa promettente
Le batterie allo stato solido e litio metallico stanno guadagnando attenzione come promettente alternativa alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Utilizzando un elettrolita solido anziché liquido, queste unità riescono a offrire prestazioni ottimizzate, tra cui una maggiore sicurezza e una densità energetica più elevata.
L’altro lato della medaglia? Spesso richiedono una pressione elevata per funzionare, requisito che in diversi casi ne rende difficile l’applicazione finale.
La causa fisica alla base di questa “esigenza” è da ricercare nella complessa evoluzione morfologica del litio metallico all’interfaccia elettrolitica. “Quando la batteria viene utilizzata, il litio metallico al suo interno cambia forma, perdendo potenzialmente il contatto con l’elettrolita solido”, spiegano i ricercatori. I vuoti che si creano così durante i cicli vanno inevitabilmente a degradarne le prestazioni.
La soluzione: sodio metallico per colmare i vuoti del litio
Un metodo comune per garantire che il litio metallico non perda il contatto è applicare a questi dispositivi un’elevata pressione. Come? Attraverso specifiche piastre che, tuttavia, possono essere più grandi della batteria stessa, rendendo l’unità troppo pesante e ingombrante.
Il gruppo di ricerca di Matthew McDowell del Georgia Institute of Technology ha trovato una efficace alternativa che rende inutile l’impiego delle piastre. Prendendo in prestito un concetto dalla biologia chiamato morfogenesi, il team ha aggiunto un 20% di sodio metallico al litio. Dal momento che il sodio è immiscibile, è in grado di formare domini all’interno della microstruttura del litio. Questi domini sono deformabili e migliorano il contatto con l’elettrolita
“L’aggiunta di sodio metallico è la svolta”, ha osservato McDowell. “Sembra controintuitivo perché il sodio non è attivo nel sistema di batterie, ma è molto morbido, il che contribuisce a migliorare le prestazioni del litio.”
La ricerca Interface morphogenesis with a deformable secondary phase in solid-state lithium batteries è su Science
