Grazie ad un anodo dalla struttura porosa a deformazione controllata si migliora l'efficienza e la durata, riducendo anche i costi

Uno studio portato avanti dai ricercatori del MIT insieme anche ad altri istituti di ricerca ha permesso di ottenere batterie allo stato solido più efficienti e più durature di quelle progettate fino ad oggi. Il segreto di queste nuove batterie risiede in un particolare anodo in litio allo stato puro dalla particolare struttura a nido d’ape.

Lo studio è firmato da Ju LI, professore del Massachusetts Institute of Technology, ed è stato pubblicato sulla rivista Nature insieme ad altri ricercatori del MIT e di istituti di ricerca con sede ad Hong Kong, in Florida e in Texas.

Liquidi addio

Il progetto, come detto, pone le basi per la realizzazione di future batterie allo stato solido in cui non è più necessario adottare un elettrolita liquido per il passaggio di elettricità tra i due elettrodi. Nelle attuali batterie allo stato solido, infatti, per una questione di affidabilità e di durata, si aggiunge sempre un elettrolita allo stato liquido a fianco di quello allo stato solido. Vediamo perché.

Il problema maggiore delle batterie allo stato solido si riscontra durante la ricarica. In questa fase gli atomi si accumulano nell’anodo di litio provocandone un’espansione. Il metallo, come noto, si contrae nuovamente nelle fasi di rilascio dell’energia. Proprio L’alternanza tra fasi di carica e scarica, con relativa deformazione delle parti in litio della batteria, porta spesso alla rottura dell’elettrolita solido, eccessivamente stressato. Da qui, la necessità di un elettrolita liquido che svolge la funzione di “cuscinetto”.

Un anodo indeformabile

I ricercatori guidati dal professor LI hanno però realizzato elettrodi di litio che presentano una struttura a nido d’ape con nanoarchitettura esagonale che permette all’elettrodo di espandersi verso l’interno durante la ricarica, andando a colmare gli spazi vuoti ricavati proprio dalla particolare struttura. Tra elettrodo e elettrolita, inoltre, è stata piazzata una membrana di un altro materiale, denominato ELI, che ha il compito di contenere l’elettrodo in una forma prestabilita, evitando che si espanda, Allo stesso tempo, la membrana garantisce il passaggio di energia all’elettrolita.

Auto elettrica e batteria allo stato solido

“Abbiamo progettato una struttura tridimensionale che permette all’elettrodo di non modificare le proprie dimensioni esterne e che all’interno si espande e si contrae come se fosse un motore con 10 milioni di pistoni che si muovono avanti e indietro”, ha detto Ju LI. Abbiamo potuto testare 100 cicli di carica e scarica della batteria senza riportare danni all’elettrolita solido.

Si risparmia anche sui materiali

Questa soluzione permette di realizzare batterie allo stato solido “pure”, senza elettroliti liquidi che ne minino l’efficienza. Ma questa soluzione offre anche altri tre enormi vantaggi. Il primo riguarda il peso, perché una struttura “porosa” permette di realizzare elettrodi più leggeri del 75% rispetto a quelli “pieni”. Il secondo riguarda i costi, perché adottando molto manganese e poco nickel, queste batterie costano fino all’80% in meno rispetto ad altre sempre allo stato solido. Infine, a parità di spazio, le nuove batterie potranno immagazzinare il doppio dell’energia rispetto a quelle attualmente in commercio, garantendo anche una maggiore omogeneità di funzionamento nel tempo.

Per il momento i prototipi realizzati sono di piccole dimensioni, ma al MIT si pensa già di realizzare nuove batterie più grandi, per analizzare le prestazioni di questo tipo di elettrodi anche su unità di dimensioni maggiori.