Una nuova nano-architettura a nido d’ape promette un salto evolutivo alle batterie a stato solido
(Rinnovabili.it) – Immaginate di poter ricaricare lo smartphone solo una volta ogni tre giorni, senza che siano state apportate modifiche nel peso o nelle dimensioni dell’apparecchio. Oggi l’immaginazione non deve correre così lontano: a dare una mano alla durata dell’elettronica di consumo (e non solo) è, infatti, il nuovo lavoro del MIT sulle batterie a stato solido. Un gruppo di ingeneri del celebre Instituto del Massachusetts, in collaborazione con colleghi provenenti da Hong Kong, Florida e Texas, ha compiuto il primo importante passo avanti verso le batterie ricaricabili di nuova generazione.
Uno dei molti modi in cui gli scienziati sperano di migliorare gli attuali sistemi di accumulo basati su ioni litio è quello di sostituire alcuni dei componenti liquidi (gli elettroliti) con mezzi solidi. Conosciute semplicemente come batterie a stato solido (solid-state batteries), questi dispositivi risultano più sicuri e meno soggetti al rischio di incendi o esplosioni. Inoltre, si prestano a cambiamenti architettonici importanti. L’anodo nelle odierne unità a ioni litio è costituito da una miscela di rame e grafite, ma nei nuovi dispostivi potrebbe essere realizzato in puro litio. Questo permetterebbe di incrementare notevolmente la densità energetica e, dal lato pratico, di prolungare la carica dei veicoli elettrici e dell’elettronica portatile.
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“C’è stato molto lavoro sulle batterie a stato solido, con elettrodi al litio metallico ed elettroliti solidi”, spiega Ju Li, professore di Scienze e ingegneria nucleare, sottolineando come questi sforzi si siano scontrati con una serie di problemi. Uno dei principali è l’accumulo degli atomi all’interno del litio metallico e la sua conseguente espansione durante la carica; al contrario, durante la fase di scarica, il metallo si restringe. Questi ripetuti cambiamenti dimensionali duranti i cicli rendono rendono difficile per i solidi mantenere un contatto costante. Il rischio maggiore? La frattura o il distacco dell’elettrolita.
Un altro problema da non sottovalutare è che nessuno degli elettroliti solidi proposti è realmente stabile sotto il profilo chimico una volta in contatto on il litio metallico altamente reattivo. Di conseguenza il composto tende a degradarsi nel tempo.
La soluzione a entrambe le sfide arriva da un nuovo designche utilizza due classi aggiuntive di solidi, i “conduttori ionico-elettronici misti” (MIEC) e un isolante. I ricercatori hanno sviluppato una nanoarchitettura tridimensionale a nido d’ape costituita di tubi esagonali in MIEC, parzialmente infusi con il litio puro per formare l’anodo. All’interno di ciascun tubo è stato lasciato dello spazio in maniera da permettere al metallo di espandersi all’interno durante la fase di carica. Questa soluzione, allevia la pressione senza modificare le dimensioni esterne dell’elettrodo o il confine tra l’elettrodo e l’elettrolita. L’altro materiale, l’isolante, funge da legante meccanico tra le pareti MIEC e lo strato di elettrolita solido.
Li afferma che sebbene molti altri gruppi stiano lavorando su quelle che chiamano batterie solide, la maggior parte di questi sistemi funziona effettivamente meglio con un elettrolita liquido miscelato con un secondo materiale solido elettrolitico. “Ma nel nostro caso“, spiega, “è davvero tutto solido. Non contiene liquidi o gel di alcun tipo”. Il team ha testato l’architettura delle nove batterie a stato solido e ha riferito di essere stato in grado di sopportare 100 cicli di carica e scarica senza alcun segno di frattura. L’obiettivo è ora creare anodi che pesino circa un quarto di attuali, ma con la stessa capacità di accumulo.
