Come gli elettrodi semisolidi potenzieranno le batterie agli ioni di litio del futuro

Le necessità legate alla transizione ecologica stanno spingendo diverse industrie, tra cui nel caso più evidente quella delle auto, verso nuove forme di alimentazione ed accumulo dell'energia elettrica. Le nuove esigenze energetiche, però, non possono contare esclusivamente sulle attuali tecnologie delle batterie, perché servono delle soluzioni più efficaci e dalle migliori prestazioni, con maggiore densità energetica e in grado di ricaricarsi velocemente. Per questi motivi, i ricercatori di tutto il mondo stanno studiando come immagazzinare quantità sempre maggiori di energia all'interno di pacchi batteria sempre più piccoli e leggeri.

Una delle tecnologie più promettenti in fase di studio è quella che rappresenta le fondamenta delle cosiddette batterie allo stato solido, ovvero batterie agli ioni di litio che utilizzano un materiale elettrolitico solido tra i due elettrodi, piuttosto che i tipici elettroliti in gel liquido o polimerico. Ci sono tuttavia diversi limiti a cui vanno incontro le batterie allo stato solido, primo fra i quali quello della formazione di dendriti, strutture di tipo ramificato che si trovano all'interno dei materiali e che possono rivelarsi dannose per la struttura della batteria, che in passato hanno portato diverse case automobilistiche, tra cui Tesla, ad escludere un futuro in cui le batterie allo stato solido possano diventare il riferimento. Alcuni ricercatori del MIT (Massachusetts Institute of Technology) annunciano adesso di aver trovato una strada che può portare a risolvere questi problemi adottando un compromesso tra stati solidi e liquidi per quanto riguarda sia l'elettrolite sia gli elettrodi.

I dendriti sono accumuli ramificati che, nel corso del tempo, tendono a formarsi sull’anodo, man mano che la batteria viene scaricata e ricaricata. Questi accumuli possono provocare la perforazione della membrana che separa i due elettrodi e, conseguentemente, portare al cortocircuito. A sua volta, producendo calore, riducono la durata e l'efficienza della batteria e, nei casi più gravi, provocano degli incendi.

In altri termini, mentre l'uso di elettroliti solidi per batterie allo stato solido consentirebbe di ottenere benefici in termini di densità energetica, essi portano più facilmente degli elettroliti liquidi alla formazione di dendriti controproducenti in termini di longevità e sicurezza della batteria.

È noto che i dendriti si formano più rapidamente quando il flusso di corrente è più alto, il che è necessario per consentire la ricarica rapida. Tuttavia, molti ricercatori ritengono ancora che valga la pena proseguire su questa strada perché la densità energetica che è stata raggiunta nelle celle delle versioni sperimentali delle batterie allo stato solido è già quasi il doppio di quella che troviamo nelle convenzionali batterie agli ioni di litio.

In particolare, il team del MIT ha realizzato un elettrodo semisolido, che rimane a contatto con un elettrolita solido. I risultati della ricerca sono stati descritti nella rivista Nature Energy.

L'idea deriva dalle batterie sperimentali che operano a temperature altissime, in cui uno o entrambi gli elettrodi si costituiscono di metallo fuso. Si tratta di batterie che vengono collocate in contesti fissi e che non sono compatibili con le esigenze di mobilità che riguardano, tra le altre, l'industria delle auto. Tuttavia, quel che interessa ai fini dello studio del MIT è che un'interfaccia liquida può consentire alte densità di corrente senza formazione di dendriti. Lo scopo è quello di introdurre una fase liquida che possa fungere da componente autorigenerante del separatore tra gli elettrodi.

L'elettrodo semisolido sviluppato al MIT lavora in un regime in cui può avere sia una fase solida che una fase liquida, in questo caso costituita da una miscela di sodio e potassio, in cui la fusione del metallo e la sua penetrazione nel separatore assolverebbe una funzione autorigenerante per il separatore, impedendo ai dendriti di crearsi e quindi compromettere la batteria. Mentre fino a oggi ci si è concentrati principalmente sulle proprietà del separatore, secondo il team di ricercatori del MIT la soluzione invece riguarda l'elettrodo, che deve essere spinto a funzionare in un'interfase liquido-metallo che favorisca la penetrazione del metallo nel separatore.

Elettrodi semisolidi di questo tipo consentirebbero, secondo i ricercatori del MIT, di unire le migliori caratteristiche delle batterie convenzionali con elettrodi liquidi a quelle delle batterie allo stato solido.