Il mondo delle batterie agli ioni di litio, da oggi, è un po’ meno misterioso. Per quanto la conoscenza nel campo di questo tipo di accumulatori abbia fatto passi da gigante, restano infatti parecchi lati oscuri su certi processi e certe logiche di funzionamento.
Ma i ricercatori dell’Istituto tedesco di Nanotecnologia di Karlsruhe KIT sono riusciti a risolvere il mistero della formazione dello strato di passivazione. Di cosa si tratta? Facciamo un minimo di chiarezza.
Nella stragrande maggioranza dei casi, le batterie agli ioni di litio hanno elettrolita liquido. Ma una componente essenziale che ne garantisce il corretto funzionamento è la cosiddetta interfaccia a elettrolita solido (SEI). Si tratta di uno strato che si forma nella zona di contatto tra l'elettrolita liquido e l’elettrodo quando si mette in funzione per la prima volta una batteria. Per caratteristiche fisiche e comportamento può essere considerato un elemento a se stante.
Lunga vita al SEI
Il SEI può arrivare a uno spessore fino a 100 nanometri ed è chiamato anche strato di passivazione. Ha un ruolo fondamentale per le sue capacità elettrochimiche e incide in maniera determinante sulle prestazioni e sulla durata della batteria: è fortemente sollecitato a ogni ciclo di carica e quando si degrada, l'elettrolita si decompone di conseguenza.
Il fatto è che fino a oggi il preciso processo di formazione di questo stato di passivazione, il modo in cui degrada con il tempo e le mutazioni sulle sue caratteristiche chimiche ed elettriche restava un mistero. Nessun approccio sperimentale o computerizzato, fino a ora, è stato in grado di decifrare nel dettaglio questa particolare componente della batteria.
Un pacco batteria con celle agli ioni di litio
Uno strato che parte “da lontano”
Torniamo quindi alla stretta attualità. I ricercatori dell'istituto di Karlsruhe sono riusciti a caratterizzare la formazione del SEI con un approccio “multiscala”. "Questo lavoro risolve uno dei grandi misteri riguardanti una parte essenziale di tutte le batterie a elettrolita liquido, in particolare le batterie agli ioni di litio che usiamo tutti i giorni”, afferma il professor Wolfgang Wenzel, a capo del gruppo di ricerca.
Per esaminare la formazione e la composizione dello strato di passivazione, i ricercatori del KIT hanno effettuato oltre 50.000 simulazioni, rappresentando in laboratorio una grande varietà di scenari. Così, hanno scoperto che la crescita del SEI segue un percorso preciso che parte nella zona più lontana dall’anodo e che poi si espande fino a creare una superficie porosa che lo riveste completamente. Ma perché questa scoperta è importante?
"Abbiamo identificato i parametri di formazione del SEI – ha detto il dottor Saibal Jana, assegnista di ricerca al KIT e uno degli autori dello studio – questa scoperta ci permetterà in futuro di sviluppare elettroliti e additivi adatti a modificare la struttura e lo spessore del SEI ottimizzando prestazioni e durata delle batterie in base all’uso per cui sono create”.
I progressi sulle batterie