Nuova ricerca sulle batterie agli ioni di litio

Una pubblicazione presente nall'ultima edizione del magazine scientifico Science illustra il particolare comportamento degli elettrodi impiegati nelle batterie ricaricabili agli ioni di litio nel momento in cui vengono caricate: si tratta di una analisi che permetterà di meglio comprendere i meccanismi di funzionamento delle batterie ed offrirà suggerimenti e spunti su quale sia l'approccio migliore per costruire batterie al litio che possano durare più a lungo nel tempo.

Gli sviluppatori delle batterie, così come gli utenti, sono ben a conoscenza del fatto che le ripetute ricariche delle batterie al litio finiscono con il danneggiamento del materiale utilizzato come elettrodo. La nuova ricerca portata avanti dai Pacific Northwest National Laboratory riesce però ad offrire un'indicazione reale di come ciò accade: grazie ad immagini ad alta risoluzione e ad elevato ingrandimento, i ricercatori hanno potuto osservare che i cavi di ossido di stagno impiegati come elettrodi nelle batterie al litio si torcono e si espandono nel momento in cui vengono attraversati dagli elettroni. Non solo: gli ioni di litio tendono inoltre a mutare l'ossido di stagno da una struttura cristallina ad una struttura vetrosa e amorfa.

Chongmin Wang, scienziato dei materiali presso il dipartimento dell'energia del PNNL, ha commentato: "I nanocavi di ossido di stagno sono stati in grado di resistere meglio alle defornamzioni associate con il flusso elettrico rispetto a un singolo cavo più spesso. E' come realizzare una fune di acciaio: è meglio intrecciare tra loro cavi di piccole dimensioni, piuttosto che cercare di realizzare una fune spessa da un unico pezzo".

I ricercatori hanno pubblicato un video nel quale un nanocavo sembra essere una cannuccia, mentre gli ioni di litio sembrano essere un liquido che viene aspirato attraverso essa. Variazioni di forma ripetute e repentine possono danneggiare il materiale usato come elettrodo introducendo una serie di piccoli difetti che si accumulano nel corso del tempo.

Schematizzazione del comportamento della batteria del PNNL

In una precedente ricerca Wang era riuscito a scattare una fotografia di un nanocavo dello spessore di un micrometro parzialmente caricato, senza che fosse tuttavia possibile mostrare che cosa accadeva durante la fase di carica. Allo scopo di poter verificare ciò che accade in questo momento, Choming Wang ha collaborato con Jianyu Huang del DOE's Center for Integrated Nanotechnologies presso il Sandia National Laboratories del New Mexico, utilizzando un microsocopio elettronico opportunamente attrezzato e costruendo una batteria in miniatura. Questo strumento ha permesso loro di visualizzare cavi più piccoli, delle dimensioni di 200 nanometri di diametro (un quinto rispetto al nanocavo impiegato nel precedente esperimento) durante la fase di carica.

La batteria in miniatura è stata realizzata utilizzando un elettrodo positivo in ossidio di litio-cobalto ed un elettrodo negativo formato da sottili nanocavi di ossido di stagno. L'elettrolita presente tra i due elettrodi è stato progettato in maniera particolare per resistere alle condizioni del microscopio. Durante la carica della batteria, avvenuta con differenza di potenziale costante, gli elettroni di litio fluiscono dall'elettrodo positivo in direzione del nanocavo di ossido di stagno, attirati dagli elettroni liberi. A questo punto il nanocavo di stagno si allunga e si ispessisce per il 250% circa del suo volume e si contorce come fosse un serpente.

L'analisi al microscopio ha potuto inoltre mostrare che il nanocavo, in forma cristallina, è stato mutato dagli ioni di litio in un materiale vetroso, dove gli atomi sono organizzati in maniera casuale rispetto alla struttura cristallina. I ricercatori sostengono pertanto che è la deformazione che si verifica nella fase di carica a consumare i materiali della batteria nel corso del tempo. "Pensiamo che questo lavoro stimolerà nuove considerazioni per lo stoccaggio dell'energia. E' solo l'inizio e speriamo che il prosieguo del nostro lavoro ci mostrerà come progettare una migliore batteria" ha comentato Wang.

I prossimi lavori di ricerca proveranno ad indagare ciò che accade quando una batteria in miniatura come quella dell'esperimento viene caricata e scaricata repentinamente. I ricercatori hanno inoltre intenzione di portare avanti lo sviluppo di una batteria ricaricabile di dimensioni nanoscopiche pienamente funzionante.