I ricercatori del Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University potrebbero aver trovato un modo per rivitalizzare le batterie al litio ricaricabili, potenzialmente aumentando la gamma dei veicoli elettrici e la durata della batteria nei dispositivi elettronici di prossima generazione.

Quando le batterie al litio vanno in ciclo, accumulano piccole isole di litio inattivo che vengono tagliate fuori dagli elettrodi, diminuendo la capacità della batteria di immagazzinare la carica. Ma il team di ricerca ha scoperto di poter far strisciare questo litio "morto" come un verme verso uno degli elettrodi fino a ricollegarlo, invertendo parzialmente il processo indesiderato.

L'aggiunta di questo passo in più ha rallentato il degrado della loro batteria di prova e ha aumentato la sua vita di quasi il 30%.

"Stiamo ora esplorando il potenziale recupero della capacità perduta nelle batterie agli ioni di litio utilizzando una fase di scarico estremamente veloce", ha detto Fang Liu, l'autore principale di uno studio pubblicato il 22 dicembre su Nature.

Connessione persa

Una grande quantità di ricerca è concentrata sulla ricerca di modi per fare batterie ricaricabili con peso più leggero, durata di vita più lunga, maggiore sicurezza e velocità di ricarica più veloce della tecnologia agli ioni di litio attualmente utilizzata nei telefoni cellulari, computer portatili e veicoli elettrici. Un'attenzione particolare è rivolta allo sviluppo di batterie al litio-metallo, che potrebbero immagazzinare più energia per volume o peso. Per esempio, nelle auto elettriche, queste batterie di nuova generazione potrebbero aumentare il chilometraggio per carica e possibilmente occupare meno spazio nel bagagliaio.

Entrambi i tipi di batterie usano ioni di litio caricati positivamente che fanno la spola tra gli elettrodi. Nel corso del tempo, parte del litio metallico diventa elettrochimicamente inattivo, formando isole isolate di litio che non si connettono più con gli elettrodi. Questo si traduce in una perdita di capacità ed è un problema particolare per la tecnologia del litio-metallo e per la ricarica veloce delle batterie agli ioni di litio.

Tuttavia, nel nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato di poter mobilitare e recuperare il litio isolato per prolungare la durata della batteria.

"Ho sempre pensato al litio isolato come a un male, dato che fa decadere le batterie e persino prendere fuoco", ha detto Yi Cui, professore a Stanford e SLAC e ricercatore dello Stanford Institute for Materials and Energy Research (SIMES) che ha guidato la ricerca. "Ma abbiamo scoperto come ricollegare elettricamente questo litio 'morto' con l'elettrodo negativo per riattivarlo".

Strisciante, non morto

 

L'idea dello studio è nata quando Cui ha ipotizzato che applicando una tensione al catodo e all'anodo di una batteria, un'isola isolata di litio potrebbe muoversi fisicamente tra gli elettrodi - un processo che il suo team ha ora confermato con i suoi esperimenti.

Gli scienziati hanno fabbricato una cella ottica con un catodo di litio-nichel-manganese-cobalto-ossido (NMC), un anodo di litio e un'isola di litio isolata nel mezzo. Questo dispositivo di prova ha permesso loro di seguire in tempo reale ciò che accade all'interno di una batteria quando è in uso.

Hanno scoperto che l'isola di litio isolata non era affatto "morta", ma rispondeva alle operazioni della batteria. Quando si caricava la cella, l'isola si spostava lentamente verso il catodo; quando si scaricava, si insinuava nella direzione opposta.

"E' come un verme molto lento che fa avanzare la sua testa e tira la sua coda per muoversi nanometro dopo nanometro", ha detto Cui. "In questo caso, trasporta dissolvendosi su un'estremità e depositando materiale all'altra estremità. Se riusciamo a mantenere il verme di litio in movimento, alla fine toccherà l'anodo e ristabilirà la connessione elettrica".

Aumentare la durata della vita

I risultati, che gli scienziati hanno convalidato con altre batterie di prova e attraverso simulazioni al computer, dimostrano anche come il litio isolato potrebbe essere recuperato in una batteria reale modificando il protocollo di carica.

"Abbiamo scoperto che possiamo spostare il litio staccato verso l'anodo durante la scarica, e questi movimenti sono più veloci sotto correnti più alte", ha detto Liu. "Così abbiamo aggiunto una fase di scaricamento veloce e ad alta corrente subito dopo la carica della batteria, che ha spostato il litio isolato abbastanza lontano da ricollegarlo con l'anodo. Questo riattiva il litio in modo che possa partecipare alla vita della batteria".

Ha aggiunto: "I nostri risultati hanno anche ampie implicazioni per la progettazione e lo sviluppo di batterie litio-metallo più robuste".

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