Rivitalizzare le batterie riportando in vita il litio

Un’animazione mostra come caricare e scaricare una cella di prova della batteria al litio fa sì che un’isola di metallo al litio “morto” (o staccato) si sposti avanti e indietro tra gli elettrodi. Il movimento degli ioni di litio avanti e indietro attraverso l’elettrolita crea aree di carica negativa (blu) e positiva (rossa) alle estremità dell’isola, che si scambiano di posto quando la batteria si carica e si scarica. Il litio metallico si accumula all’estremità negativa dell’isola e si dissolve all’estremità positiva; questa continua crescita e dissoluzione causa il movimento avanti e indietro visto qui. I ricercatori SLAC e Stanford hanno scoperto che l’aggiunta di una breve fase di scarica ad alta corrente subito dopo aver caricato la batteria spinge l’isola a crescere nella direzione dell’anodo, o elettrodo negativo. La riconnessione con l’anodo riporta in vita il litio morto dell’isola e aumenta la durata della batteria di quasi il 30%. Credito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia e della Stanford University potrebbero aver trovato un modo per rivitalizzare le batterie al litio ricaricabili, aumentando potenzialmente la gamma di veicoli elettrici e la durata della batteria nei dispositivi elettronici di nuova generazione.

Durante il ciclo, le batterie al litio accumulano piccole isole di litio inattivo che vengono tagliate fuori dagli elettrodi, diminuendo la capacità della batteria di immagazzinare carica. Ma il team di ricerca ha scoperto che potevano far strisciare questo litio “morto” come un verme verso uno degli elettrodi fino a quando non si riconnette, invertendo parzialmente il processo indesiderato.

L’aggiunta di questo ulteriore passaggio ha rallentato il degrado della batteria di prova e ne ha aumentato la durata di quasi il 30%.

“Stiamo esplorando il potenziale recupero della capacità persa nelle batterie agli ioni di litio utilizzando una fase di scarica estremamente rapida”, ha affermato il borsista post-dottorato di Stanford Fang Liu, autore principale di uno studio pubblicato il 22 dicembre in Natura.

Connessione persa

Una grande quantità di ricerca si concentra sulla ricerca di modi per realizzare batterie ricaricabili con un peso più leggero, una durata maggiore, una maggiore sicurezza e velocità di ricarica più elevate rispetto alla tecnologia agli ioni di litio attualmente utilizzata nei telefoni cellulari, nei laptop e nei veicoli elettrici. Un’attenzione particolare è rivolta allo sviluppo di batterie al litio-metallo, che potrebbero immagazzinare più energia per volume o peso. Ad esempio, nelle auto elettriche, queste batterie di nuova generazione potrebbero aumentare il chilometraggio per carica e possibilmente occupare meno spazio nel bagagliaio.

Entrambi i tipi di batteria utilizzano ioni di litio caricati positivamente che si spostano avanti e indietro tra gli elettrodi. Nel tempo, parte del litio metallico diventa elettrochimicamente inattivo, formando isole isolate di litio che non si collegano più con gli elettrodi. Ciò si traduce in una perdita di capacità ed è un problema particolare per la tecnologia al litio e per la ricarica rapida delle batterie agli ioni di litio.

Tuttavia, nel nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato di poter mobilitare e recuperare il litio isolato per prolungare la durata della batteria.

“Ho sempre pensato che il litio isolato fosse dannoso, poiché provoca il decadimento delle batterie e persino l’incendio”, ha affermato Yi Cui, professore a Stanford e SLAC e ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Research (SIMES) che ha guidato il ricerca. “Ma abbiamo scoperto come ricollegare elettricamente questo litio ‘morto’ con l’elettrodo negativo per riattivarlo”.

Rivitalizzare le batterie riportando in vita il litio

Quando un’isola di litio metallico inattivato viaggia verso l’anodo di una batteria, o elettrodo negativo, e si riconnette, torna in vita, contribuendo con elettroni al flusso di corrente della batteria e ioni di litio per immagazzinare la carica fino a quando non è necessaria. L’isola si muove aggiungendo metallo di litio a un’estremità (blu) e dissolvendolo all’altra estremità (rosso). I ricercatori di SLAC e Stanford hanno scoperto che potevano guidare la crescita dell’isola nella direzione dell’anodo aggiungendo una breve fase di scarica ad alta corrente subito dopo la ricarica della batteria. Ricollegare l’isola all’anodo ha aumentato la durata della loro cella di prova agli ioni di litio di quasi il 30%. Credito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Strisciante, non morto

L’idea per lo studio è nata quando Cui ha ipotizzato che l’applicazione di una tensione al catodo e all’anodo di una batteria potesse far muovere fisicamente un’isola isolata di litio tra gli elettrodi, un processo che il suo team ha ora confermato con i loro esperimenti.

Gli scienziati hanno fabbricato una cella ottica con un catodo di litio-nichel-manganese-cobalto-ossido (NMC), un anodo di litio e un’isola di litio isolata nel mezzo. Questo dispositivo di prova ha permesso loro di tracciare in tempo reale cosa succede all’interno di una batteria quando è in uso.

Hanno scoperto che l’isola di litio isolata non era affatto “morta”, ma rispondeva alle operazioni della batteria. Durante la carica della cella, l’isola si è mossa lentamente verso il catodo; durante lo scarico, si è insinuato nella direzione opposta.

“È come un verme molto lento che spinge la testa in avanti e tira la coda per muoversi nanometro per nanometro”, ha detto Cui. “In questo caso, si trasporta dissolvendosi su un’estremità e depositando materiale sull’altra estremità. Se riusciamo a mantenere in movimento il verme di litio, alla fine toccherà l’anodo e ristabilirà la connessione elettrica”.

Spinta a vita

I risultati, che gli scienziati hanno convalidato con altre batterie di prova e tramite simulazioni al computer, dimostrano anche come il litio isolato potrebbe essere recuperato in una batteria reale modificando il protocollo di ricarica.

“Abbiamo scoperto che possiamo spostare il litio staccato verso l’anodo durante la scarica, e questi movimenti sono più veloci sotto correnti più elevate”, ha detto Liu. “Quindi abbiamo aggiunto una fase di scarica rapida e ad alta corrente subito dopo la ricarica della batteria, che ha spostato il litio isolato abbastanza lontano da ricollegarlo all’anodo. Questo riattiva il litio in modo che possa partecipare alla vita della batteria”.

Ha aggiunto: “I nostri risultati hanno anche ampie implicazioni per la progettazione e lo sviluppo di batterie al litio-metallo più robuste”.


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