Scoperto come ridurre i dendriti delle batterie allo stato solido

Da anni le batterie allo stato solido restano bloccate in una fase di tante promesse e pochi fatti. Si sente parlare continuamente di svolte, ma ancora oggi non esiste un’auto elettrica di serie, realmente in vendita, che le utilizzi. Ma i ricercatori non hanno mollato e un nuovo studio del MIT potrebbe spiegare perché le celle continuano ad arenarsi e cosa si possa fare per renderle davvero sfruttabili.

Colpa dei dendriti

Secondo le Case auto, le vetture con batterie allo stato solido possono offrire maggiore autonomia, tempi di ricarica più rapidi ed eliminare il rischio di incendio legato agli elettroliti liquidi. Lo sviluppo procede però a passo di lumaca e una delle cause è un difetto difficile da sradicare: i dendriti, minuscole “spine” di litio metallico che crescono all’interno della cella provocando danni. 

I ricercatori del MIT e della Technical University of Munich sostengono di aver individuato una possibile soluzione per impedirne la crescita. 

Cella batteria allo stato solido QuantumScape QSE-5

Foto di: QuantumScape

Secondo lo studio, gli elettroliti solidi — il materiale che facilita il movimento degli ioni tra anodo e catodo — sono composti da innumerevoli grani microscopici compattati tra loro. Ogni grano è separato da quella che gli autori definiscono una “grain boundary” (confine di grano). Ed è proprio lì che sembrerebbe annidarsi gran parte del problema.

In un articolo pubblicato sulla rivista accademica Nature Nanotechnology, i ricercatori scrivono che i confini di grano presentano un nascosto squilibrio elettrico: questo rende più difficile il movimento degli ioni di litio all’interno della batteria e porta gli elettroni ad accumularsi in corrispondenza di queste interfacce, creando un’asimmetria che favorisce la formazione dei dendriti.

«I confini di grano sono come il meteo», ha detto Harry Tuller, professore di scienza dei materiali al MIT, in un post sul blog. «Ne parlano tutti, ma nessuno fa nulla. In questo lavoro abbiamo deciso di fare qualcosa sui confini di grano».

Il team ha studiato un elettrolita solido chiamato “lithium lanthanum zirconate” usando l’AI e altre tecniche specialistiche per mappare come la corrente scorre attraverso questi confini. Una volta compreso lo squilibrio, ha modificato il processo di realizzazione dell’elettrolita per minimizzare i danni, consentendo agli ioni di litio di muoversi più liberamente senza formare dendriti e riducendo le perdite di energia.

Ricarica più veloce, vita più lunga

Il risultato sarebbe stato notevole, con una densità di corrente superiore di oltre 300% rispetto a un «campione di riferimento». In altre parole, la batteria può caricarsi e scaricarsi più rapidamente rispetto ai tradizionali progetti allo stato solido e avrebbe anche una vita utile più lunga.

Cella batteria allo stato solido Factorial Energy

Va chiarito: si tratta di un esperimento in laboratorio. Case auto e produttori di batterie stanno lavorando su soluzioni proprietarie per eliminare i difetti delle batterie allo stato solido prima di prepararle alla produzione di massa per i modelli finali e per altre applicazioni.

Gli altri nodi da sciogliere

Queste minuscole “spine” metalliche non sono l’unico ostacolo alla diffusione delle batterie allo stato solido. In passato alcuni esperti hanno detto a InsideEVs US che ridurre i costi e riuscire a produrre queste batterie su larga scala senza difetti sono altre grandi sfide che le aziende del settore stanno cercando di superare.

Scoperte come questa, però, suggeriscono che potrebbe esistere più di una strada per far funzionare davvero le batterie allo stato solido. Se i produttori sono in stallo, lo studio può offrire una traccia da cui partire e, potenzialmente, contribuire a portare sul mercato una tecnologia che finora è rimasta sfuggente.

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