La vera forma del litio rivelata per la prima volta da una ricerca dell'UCLA

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio alimentano, tra le altre tecnologie, smartphone, veicoli elettrici e accumulatori di energia solare ed eolica.

Discendono da un'altra tecnologia, la batteria al litio-metallo, che non è stata sviluppata o adottata su larga scala. C'è una ragione per questo: sebbene le batterie al litio-metallo abbiano il potenziale di contenere circa il doppio dell'energia rispetto alle batterie agli ioni di litio, presentano anche un rischio molto maggiore di prendere fuoco o addirittura di esplodere.

Ora, uno studio condotto da membri del California NanoSystems Institute presso l’UCLA rivela una scoperta fondamentale che potrebbe portare a batterie al litio-metallo più sicure che superano le attuali batterie agli ioni di litio.La ricerca è stata pubblicatasulla rivista Natura.

Il litio metallico reagisce così facilmente con le sostanze chimiche che, in condizioni normali, la corrosione si forma quasi immediatamente mentre il metallo viene depositato su una superficie come un elettrodo. Ma i ricercatori dell’UCLA hanno sviluppato una tecnica che impedisce tale corrosione e hanno dimostrato che, in sua assenza, gli atomi di litio si assemblano in una forma sorprendente: il dodecaedro rombico, una figura a 12 facce simile ai dadi utilizzati nei giochi di ruolo come Dungeons and Dragons. .

"Ci sono migliaia di articoli sul litio metallico e la maggior parte delle descrizioni della struttura sono qualitative, come 'grosso' o 'a colonna'", ha detto Yuzhang Li, autore corrispondente dello studio, assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso della UCLA Samueli School of Engineering e membro del CNSI. “È stato sorprendente per noi scoprire che quando abbiamo prevenuto la corrosione superficiale, invece di queste forme mal definite, abbiamo visto un singolare poliedro che corrisponde alle previsioni teoriche basate sulla struttura cristallina del metallo. In definitiva, questo studio ci consente di rivedere il modo in cui comprendiamo le batterie al litio-metallo”.

Su scala minuscola, una batteria agli ioni di litio immagazzina atomi di litio caricati positivamente in una struttura di carbonio simile a una gabbia che riveste un elettrodo. Al contrario, una batteria al litio-metallo riveste invece l’elettrodo con litio metallico. Ciò racchiude 10 volte più litio nello stesso spazio rispetto alle batterie agli ioni di litio, il che spiega l’aumento sia delle prestazioni che del pericolo.

Il processo per la posa del rivestimento al litio si basa su una tecnica vecchia di oltre 200 anni che utilizza elettricità e soluzioni di sali chiamate elettroliti. Spesso il litio forma microscopici filamenti ramificati con punte sporgenti. In una batteria, se due di questi picchi si incrociano, può causare un cortocircuito che potrebbe portare a un'esplosione.

La rivelazione della vera forma del litio – cioè in assenza di corrosione – suggerisce che il rischio di esplosione per le batterie al litio-metallo può essere ridotto, perché gli atomi si accumulano in una forma ordinata anziché incrociata. La scoperta potrebbe anche avere implicazioni sostanziali per la tecnologia energetica ad alte prestazioni.

"Scienziati e ingegneri hanno prodotto oltre due decenni di ricerca sulla sintesi di metalli tra cui oro, platino e argento in forme come nanocubi, nanosfere e nanobarre", ha affermato Li. “Ora che conosciamo la forma del litio, la domanda è: possiamo sintonizzarlo in modo che formi dei cubi, che possono essere imballati densamente per aumentare sia la sicurezza che le prestazioni delle batterie?”

Fino ad ora, l’opinione prevalente era che la scelta degli elettroliti in soluzione determina la forma che il litio assume su una superficie, indipendentemente dal fatto che la struttura assomigli a pezzi o colonne. I ricercatori dell’UCLA avevano un’idea diversa.

"Volevamo vedere se potevamo depositare il litio così velocemente da superare la reazione che causa la pellicola di corrosione", ha detto Xintong Yuan, dottorando dell'UCLA, primo autore dello studio. “In questo modo, potremmo potenzialmente vedere come il litio vuole crescere in assenza di quella pellicola”.

I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica per depositare il litio più velocemente rispetto alle forme di corrosione. Hanno fatto passare la corrente attraverso un elettrodo molto più piccolo per spingere l'elettricità fuori più velocemente, proprio come il blocco parziale dell'ugello di un tubo da giardino fa sì che l'acqua fuoriesca con più forza.