Nonostante le batterie litio-ione abbiano una storia lunga svariati decenni, ancor oggi sono caratterizzate da un punto debole che si portano dietro da sempre: la vulnerabilità al surriscaldamento, con il conseguente rischio di prendere fuoco ed esplodere. Il problema principale è l'elettrolita liquido, ovvero quell'elemento che ha lo scopo di agevolare il flusso di ioni tra gli elettrodi della batteria, e che spesso è costituito da un solvente organico infiammabile. Sostituire questo elettrolita con una controparte solida dovrebbe poter consentire la produzione di batterie più sicure. Si tratta però di un concetto semplice a livello teorico, ma più complesso da tradurre in realtà.

Un gruppo di ricercatori della Stanford University sta lavorando ad un progetto il cui obiettivo è quello di trovare una formulazione adeguata di un elettrolita solido che possa abbattere i problemi di surriscaldamento e infiammabilità, mantenendo al contempo le caratteristiche desiderabili di una batteria, sia dal punto di vista elettrochimico, sia dal punto di vista meccanico e fisico. Coordinati dallo scienziato dei materiali Yi Cui, i ricercatori hanno raccontato su Nano Letters il loro progetto di ricerca, spiegando quali strade stanno percorrendo per creare un elettrolita ignifugo a stato solido da usare nelle batterie litio-ione.

"Molte persone credono che per gli elettroliti liquidi non vi sia resistenza e i dendriti possono crescere e propagarsi nell'elettrolita. Ma se si sostituisce il liquido con un solido, che meccanicamente è più forte, il litio potrebbe essere bloccato" ha osservato Jiayu Wan, co-autore della pubblicazione su Nano Letters.

L'approccio alla costruzione di un elettrolita solido può prendere due strade: l'impiego di materiali ceramici, che però sono fragili e portano alla costruzione di batterie spesse e con minor densità di energia, oppure gli elettroliti polimerici che sono economici, leggeri e flessibili e hanno una bassa resistenza all'interfaccia tra elettrodo ed elettrolita, per una più facile conduzione degli ioni. Questa bassa resistenza però li rende incapaci di moderare la propagazione dei dendriti di litio, quelle strutture aghiformi che nel tempo tendono a crescere dall'anodo della batteria dopo svariati cicli di carica/scarica. Quando questi cristalli perforano il separatore, possono causare cortocircuiti e incendi.

I ricercatori di Stanford hanno anzitutto previsto l'impiego di un ritardante di fiamma nell'elettrolita solido, utilizzando decabromodifeniletano - DBDPE per gli amici - con il con il quale è stata realizzata una sottile pellicola grazie alla poliimmide, che permette di rafforzare il composto e che tra l'altro offre numerosi vantaggi. Oltre ad essere meccanicamente molto robusto, innalza il punto di fusione così da rendere meno probabile l'innesco di un corto circuito ed è compatibile con processi di produzione simili a quelli usati oggi per la realizzazione delle batterie ed è economico. Troppo bello per essere vero? Come sempre, c'è il rovescio della medaglia: la polimmide non è in grado di condurre ioni. Per aggirare l'ostacolo i ricercatori hanno aggiunto due altri polimeri: l'ossido di polietilene e il litio bis-trifluorometansulfonimmide - anche qui, per gli amici, LiTFSI. Insomma, non esiste ancora l'opzione perfetta, dato che tutti i differenti tipi di elettroliti solidi hanno i loro problemi: il lavoro è riuscire a trovare il miglior equilibrio tra chimica e struttura.

Il nuovo elettrolita è estremamente sottile (10-25 micrometri), ma ha anche una capacità specifica elevata (131 mAh/g ad 1°C) e dimostra buone prestazioni di ciclo, con una durata di 300 cicli a 60°C. La batteria prototipo ha provato la sua funzionalità e pur prendendo fuoco in un test creato appositamente per indurre una situazione critica, ha continuato a funzionare anche avvolta dalle fiamme: "E' stata una sorpresa, di norma una batteria esplode quando prende fuoco. Ma questa non solo non esplode, ma continua a funzionare" ha dichiarato Wan. La strada comunque sembra tracciata, e il team continua ad esplorare nuovi materiali e strutture per l'uso in elettroliti a stato solido, con l'obiettivo di migliorare la densità e le capacità delle celle. La sfida ora è rendere la batteria caricarsi più velocemente, avere una maggior densita di energia e durare più a lungo.

Nei giorni scorsi avevamo parlato di un altro progetto che sta esplorando l'uso di un elettrolita solido per migliorare la sicurezza delle batterie, trovate tutte le informazioni all'articolo Ricercatori creano una batteria litio-zolfo più sicura senza comprometterne le prestazioni.