Il litio non si comporta come pensavamo: la scoperta potrebbe cambiare le batterie del futuro

Le batterie allo stato solido sono considerate una delle tecnologie più promettenti per la generazione di sistemi di accumulo energetico grazie al potenziale di offrire maggiore sicurezza, densità energetica superiore e prestazioni migliori rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio con elettrolita liquido. Nonostante queste prospettive, rimangono numerose incognite legate al comportamento del litio all'interno dei materiali solidi durante i cicli di carica e scarica.

Un gruppo di ricercatori dell'Institut Laue-Langevin (ILL) e di istituti partner è riuscito, per la prima volta, a osservare direttamente il movimento degli ioni di litio all'interno di una batteria allo stato solido in funzione sfruttando la diffrazione neutronica operando, cioè durante il normale funzionamento della cella. Lo studio, pubblicato su Advanced Energy Materials, ha permesso di seguire in tempo reale l'evoluzione strutturale dei materiali e di individuare fenomeni finora rimasti nascosti.

A differenza dei raggi X, che interagiscono principalmente con gli elettroni e risultano poco efficaci nell'analisi di elementi leggeri come il litio, i neutroni interagiscono direttamente con i nuclei atomici. Questa caratteristica li rende particolarmente sensibili agli atomi di litio e consente inoltre di attraversare campioni spessi senza danneggiarli, offrendo una visione completa dell'interno della batteria anziché limitarsi alla superficie.

Per rendere possibile l'esperimento è stata realizzata una batteria allo stato solido con un catodo basato su NMC622, un elettrolita solido di tipo argirodite agli alogenuri misti e un anodo in lega di litio-indio. La necessità di ottenere un segnale neutronico sufficientemente intenso ha imposto l'impiego di circa 140 mg di materiale attivo e la costruzione di una cella con uno spessore di circa 2,5 millimetri, valore nettamente superiore rispetto alle celle normalmente utilizzate in laboratorio. Una configurazione di questo tipo aumenta sensibilmente la resistenza interna, complicando il trasporto degli ioni.

Per compensare questo limite i ricercatori hanno impiegato un nuovo elettrolita caratterizzato da una conducibilità ionica circa sei volte superiore rispetto ai tradizionali materiali Li₆PS₅Cl (a base di solfuro con struttura cristallina ad argyrodite). Grazie a questa soluzione è stato possibile estrarre circa il 55% del litio contenuto nel materiale attivo, un risultato comparabile a quello ottenuto nelle celle sperimentali convenzionali nonostante il maggiore spessore della batteria.

Le osservazioni effettuate durante il primo ciclo di carica e scarica hanno però evidenziato un comportamento inatteso. Anche utilizzando una velocità di ricarica estremamente lenta (C/60), il litio non si distribuiva uniformemente all'interno dell'elettrodo positivo. I ricercatori hanno infatti osservato la coesistenza di due differenti fasi strutturali del materiale, denominate H1 e H2, segno che diverse regioni dell'elettrodo stavano raggiungendo livelli di carica differenti nello stesso momento.

Secondo il team, questo fenomeno è attribuibile a una distribuzione non uniforme della corrente elettrica all'interno dell'elettrodo spesso, che provoca una sorta di "ingorgo" nel trasporto degli ioni di litio. In altre parole, alcune zone della batteria avanzano nel processo di carica più rapidamente rispetto ad altre, riducendo l'omogeneità della reazione elettrochimica.

Un secondo esperimento ha mostrato come l'aumento della temperatura possa modificare significativamente questo comportamento. Ripetendo la prova a 100 °C, la coesistenza delle due fasi è completamente scomparsa e la reazione è avvenuta attraverso un'unica fase strutturale. L'incremento della conducibilità ionica favorito dalla temperatura ha infatti uniformato il trasporto del litio e la distribuzione della corrente all'interno dell'elettrodo.

Parallelamente, l'elettrolita solido ha mantenuto la propria stabilità strutturale durante l'intero ciclo di funzionamento, senza variazioni significative osservabili nei dati di diffrazione neutronica. Si tratta di un risultato considerato incoraggiante per lo sviluppo delle batterie allo stato solido basate su elettroliti solfuri, poiché suggerisce una buona robustezza del materiale anche durante il funzionamento.

Secondo gli autori, la possibilità di monitorare in tempo reale la distribuzione del litio, le variazioni dei parametri reticolari e l'evoluzione delle diverse fasi cristalline offre nuove informazioni per comprendere i limiti delle batterie allo stato solido. Le evidenze raccolte indicano che la progettazione degli elettrodi, la conducibilità dell'elettrolita e la gestione termica rappresentano fattori determinanti per ottenere una distribuzione più uniforme degli ioni e migliorare le prestazioni delle future batterie destinate, tra gli altri impieghi, ai veicoli elettrici.