Batterie al litio, il trucco per guardare dentro senza rovinarla

Un mix di raggi X e freddo estremo permette di studiare lo strato che protegge il litio metallico senza cambiarlo mentre lo si osserva

Di: Eleonora Lilli

22 ott alle 16:00

Ogni batteria al litio ha una “pelle” invisibile che la tiene in equilibrio. È la SEI, un sottile strato solido che si forma tra il litio metallico e l’elettrolita, cioè il liquido (o gel) che porta gli ioni da un elettrodo all’altro. Questa interfaccia è la porta di ingresso e uscita degli ioni, e da come è fatta dipendono durata, efficienza e sicurezza di una batteria al litio metallico.

C’è però un problema concreto: per capire davvero come funziona bisognerebbe guardarla da vicino, strato per strato, senza toccarla. Basta analizzarla nel modo sbagliato e questa pellicola si rompe o cambia composizione, e quello che si misura non è più la SEI che lavora davvero nella cella.

Uno studio guidato da Chen e colleghi, pubblicato nel 2025 sul Journal of the American Chemical Society, prova a risolvere questo nodo sperimentale. I ricercatori hanno combinato una tecnica di analisi a raggi X con un congelamento estremo del campione. In questo modo riescono a vedere la struttura interna della SEI senza scaldarla o attaccarla con trattamenti chimici che la modificherebbero lungo la misura.

Perché l'interfaccia SEI conta così tanto

Le batterie al litio metallico sono tra le candidate a superare le classiche celle agli ioni di litio, perché a parità di spazio possono immagazzinare più energia e dare quindi più autonomia alle auto. Dentro queste celle la SEI nasce spontaneamente quando l’elettrolita reagisce con il litio metallico dell’anodo, lo strato dove si accumulano gli ioni durante la carica.

Questa interfaccia è sottilissima, spesso di pochi nanometri (milionesimi di millimetro), ma ha un ruolo doppio: regola il passaggio degli ioni e fa da scudo contro reazioni incontrollate che possono portare a surriscaldamenti o perdita di capacità. Chi progetta nuove chimiche di cella lavora proprio su questi equilibri, cambiando la ricetta dell’elettrolita per ottenere interfacce più stabili e durature nel tempo.

La SEI è una pellicola microscopica nelle batterie al litio metallico: protegge la cella, ma cambia con le ricariche e ne influenza la durata.

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Le analisi dello studio mostrano che nella SEI nativa convivono componenti organiche di tipo polimerico e specie inorganiche come LiF, Li₂CO₃, LiCₓ e LiOₓ. La loro presenza cambia a seconda della profondità e delle condizioni di funzionamento della cella. I profili raccolti indicano arricchimenti di alcune specie verso l’elettrolita o verso l’elettrodo, ma non emerge una regola unica valida per tutte le interfacce native, segno che conta molto anche la storia operativa della batteria.

Quando il litio si deposita e si dissolve durante i cicli di carica e scarica, questa architettura evolve nel tempo. All’inizio è fatta da pochi prodotti di decomposizione, poi diventa sempre più complessa e spessa, passando dalla scala dei nanometri a quella dei micrometri. Capire questa evoluzione aiuta a spiegare perché alcune formulazioni di elettrolita reggono meglio di altre nel lungo periodo.

Come funziona l'analisi che non distrugge la SEI

La tecnica usata si chiama spettroscopia fotoelettronica a raggi X, in sigla XPS. In pratica lo strumento colpisce la superficie del materiale con raggi X e misura l’energia degli elettroni che vengono espulsi. Da questi dati si ricava quali elementi chimici sono presenti e come sono legati tra loro. Nella sua versione classica, però, la XPS vede solo il primissimo strato esterno della SEI.

Per andare più in profondità, i metodi tradizionali “pelano” il campione con ioni di argon che asportano la SEI strato dopo strato, un po’ come quando si sbuccia una cipolla. Questo bombardamento può però cambiare chimicamente proprio la regione che si vuole osservare. Il rischio concreto è di misurare un’interfaccia diversa da quella che lavora davvero nella batteria durante i cicli di carica e scarica.

Nello studio il campione viene invece raffreddato rapidamente fino a circa -110 °C. Il congelamento blocca le reazioni chimiche e impedisce che le parti più volatili scappino via nel vuoto della camera di misura. In un confronto con dati di letteratura, a temperatura ambiente lo spessore della SEI stimato dalla profondità di fuga dei fotoelettroni del litio risulta pari o inferiore a 4,2 nanometri. In condizioni criogeniche, cioè a temperature molto basse, lo spessore stimato supera quella soglia, con un’incertezza del 20% indicata dagli autori.

Questa combinazione di XPS e freddo estremo resta uno strumento da laboratorio e non una tecnologia pronta per una linea di produzione di celle automobilistiche. Collegare in modo più preciso la struttura della SEI alle sue proprietà protettive apre però una strada diretta verso elettroliti progettati su misura, pensati per costruire interfacce più stabili, sicure e capaci di mantenere le prestazioni per molti più cicli di utilizzo.