Batterie allo stato solido, c’è un problema nascosto dentro

Le batterie al litio metallico allo stato solido sono considerate una delle possibili evoluzioni delle batterie delle auto elettriche: al posto del classico elettrolita liquido utilizzano un materiale solido, con l’obiettivo di ottenere più sicurezza e maggiore densità energetica.

Ma hanno ancora un problema: il litio può crescere all’interno della batteria formando sottili filamenti, chiamati dendriti. Se questi attraversano l’elettrolita e raggiungono l’altro elettrodo, possono provocare un corto circuito.

Un nuovo studio propone di limitare il fenomeno usando un elettrolita formato da più strati, capace di distribuire meglio le sollecitazioni meccaniche. Per ora è una soluzione testata in laboratorio, ma potrebbe aiutare a rendere le batterie allo stato solido più sicure e affidabili.

Elettrolita composito stratificato: come funziona nella batteria

L'idea di base è semplice anche senza competenze tecniche. Invece di un singolo blocco rigido, l'elettrolita è fatto di strati con proprietà meccaniche diverse: più duri quelli centrali, più deformabili quelli a contatto con il litio metallico.

Altri lavori recenti seguono la stessa logica. Un elettrolita a film sottile capace di reggersi da solo punta proprio a migliorare il contatto fra i materiali senza bisogno di pressioni eccessive.

Batterie allo stato solido: elettroliti compositi stratificati prevengono le dendriti e migliorano la stabilità.

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Un elettrolita composito rinforzato con nanobarre di biossido di titanio solfonato, descritto in un lavoro collegato, ha mantenuto un'interfaccia stabile con il litio per quasi 1.000 ore di funzionamento continuo. Non è un dettaglio da poco: è la durata dell'interfaccia, non solo la capacità della cella, a decidere quanto a lungo una batteria resta affidabile nell'uso reale.

Altre architetture composite arrivano a spessori di membrana fino a 40 micrometri, mantenendo comunque la robustezza meccanica necessaria a contenere la crescita delle dendriti. Assottigliare la membrana senza perdere resistenza è un obiettivo pratico non banale. Più l'elettrolita è sottile, più la cella può stare in meno spazio a parità di energia immagazzinata.

Stress meccanico e dendriti: il problema del litio metallico

Le interfacce restano il punto debole delle batterie allo stato solido, secondo la letteratura più recente su questi materiali. Il contatto rigido tra i componenti, le reazioni chimiche al confine fra i materiali e la penetrazione del litio metallico possono tutte compromettere il funzionamento della cella nel tempo.

C'è poi un equilibrio delicato da gestire sulla pressione di assemblaggio. Serve una pressione moderata per garantire un buon contatto fra i materiali, ma una pressione troppo alta rischia di far scorrere il litio stesso o di concentrare le sollecitazioni proprio nei punti più fragili. Il vantaggio ottenuto finisce così vanificato.

Una ricerca di Purdue Engineering, l'università americana che studia la scienza dei materiali applicata alle batterie, ha mostrato che le sollecitazioni meccaniche influenzano la formazione di vuoti e depositi aghiformi di litio. Questi difetti modificano a loro volta lo stato di stress dell'interfaccia, in un circolo che si autoalimenta.

Distribuire lo stress su più strati, invece di lasciarlo concentrato, non è solo un dettaglio di processo: è la condizione perché l'elettrolita regga nel tempo. Il percorso verso le auto elettriche resta lungo, perché servono ancora dimostrazioni su scala industriale e non solo su celle di laboratorio. Ma la direzione di ricerca su come risolvere gli ostacoli delle batterie allo stato solido converge sempre più su questo punto.

Resta da vedere se le stesse proprietà si manterranno producendo celle in volumi molto più grandi di quelli da laboratorio.

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