La prossima generazione di veicoli elettrici potrebbe funzionare con batterie al litio metallico in grado di garantire autonomia da 800 a 1200 chilometri con una singola carica, il doppio dell’autonomia delle tradizionali batterie agli ioni di litio dei veicoli elettrici odierni.
La tecnologia al litio metallico, però, presenta seri inconvenienti: la batteria perde rapidamente la sua capacità di immagazzinare energia dopo relativamente pochi cicli di carica e scarica, cosa altamente poco pratica per un mercato in cui, visti i costi, le auto elettriche ricaricabili devono funzionare per anni.
Batterie al litio metallico: capito come allungarne la vita
Per risolvere questo inconveniente, i ricercatori dell’Università di Stanford hanno scoperto una soluzione a basso costo: basta scaricare completamente la batteria al litio metallico e lasciarla riposare per diverse ore. Questo approccio semplice, descritto in uno studio pubblicato il 7 febbraio sulla rivista Nature, sembra ripristinare completamente la capacità di immagazinamento della batteria e migliorare le prestazioni complessive.
“Stavamo cercando il modo più semplice, economico e veloce per migliorare la durata del ciclo del litio metallo”, ha affermato il coautore dello studio Wenbo Zhang, uno studente di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali di Stanford. “Abbiamo scoperto che lasciando la batteria scarica, è possibile recuperare la capacità persa e aumentare la durata. Questi miglioramenti possono essere realizzati semplicemente riprogrammando il software di gestione della batteria, senza costi aggiuntivi o modifiche necessarie per attrezzature, materiali o flusso di produzione”.
Tecnologia al litio metallico e agli ioni di litio
Una batteria convenzionale agli ioni di litio è costituita da due elettrodi – un anodo di grafite e un catodo di ossido di litio metallico – separati da un elettrolita liquido o solido che trasporta gli ioni di litio avanti e indietro.
In una batteria al litio metallico, l’anodo di grafite viene sostituito con litio metallico elettrolitico, che consente di immagazzinare il doppio dell’energia di una batteria agli ioni di litio nella stessa quantità di spazio. Inoltre, l’anodo metallico di litio pesa meno dell’anodo di grafite, il che è importante per i veicoli elettrici. Le batterie al litio metallico possono contenere almeno un terzo di energia in più per libbra rispetto agli ioni di litio.
“Un’auto dotata di una batteria al litio metallico avrebbe il doppio dell’autonomia di un veicolo agli ioni di litio di pari dimensioni: 600 miglia per carica contro 300 miglia, per esempio“, ha detto il co-autore principale Philaphon Sayavong, uno studente di dottorato in chimica. “Nelle auto elettriche, l’obiettivo è mantenere la batteria il più leggera possibile estendendo al tempo stesso l’autonomia del veicolo”.
Raddoppiare l’autonomia potrebbe eliminare l’ansia da autonomia per i conducenti riluttanti ad acquistare veicoli elettrici. Sfortunatamente, la carica e la scarica continua provocano un rapido degrado delle batterie al litio metallico, rendendole inutilizzabili per la guida di routine. Quando le batterie al litio metallico si scaricano, frammenti di litio metallico delle dimensioni di un micron si isolano e rimangono intrappolati nell’interfase dell’elettrolita solido (SEI), una matrice spugnosa che si forma nel punto in cui si incontrano l’anodo e l’elettrolita.
“La matrice SEI è essenzialmente un elettrolita decomposto“, ha spiegato Zhang. “Circonda pezzi isolati di litio metallico staccati dall’anodo e impedisce loro di partecipare a qualsiasi reazione elettrochimica. Per questo motivo consideriamo il litio isolato morto”.
La carica e la scarica ripetute provocano l’accumulo di ulteriore litio morto, causando una rapida perdita di capacità della batteria. “Veicoli elettrici con batterie al litio metallico all’avanguardia perderebbero autonomia a un ritmo molto più rapido rispetto a un veicolo elettrico alimentato da una batteria agli ioni di litio“, ha affermato Zhang.
Scarica e riposo
In lavori precedenti, Sayavong e i suoi colleghi avevano scoperto che la matrice SEI inizia a dissolversi quando la batteria è inattiva. Sulla base di questa scoperta, il team di Stanford ha deciso di vedere cosa sarebbe successo se la batteria fosse stata lasciata riposare mentre era scarica.
“Il primo passo è stato scaricare completamente la batteria in modo che non vi fosse alcuna corrente che la attraversasse“, ha detto Zhang. “Il processo di scaricamento della batteria al litio metallico rimuove tutto il litio metallico dall’anodo, quindi tutto ciò che rimane sono pezzi inattivi di litio isolato circondati dalla matrice SEI“.
Il passo successivo è stato lasciare la batteria inattiva.
“Abbiamo scoperto che se le batterie al litio metallico rimangono scaricche per solo un’ora, parte della matrice SEI che circonda il litio morto si dissolve“, ha detto Sayavong. “Quindi, quando ricarichi la batteria, il litio morto si ricollegherà all’anodo, perché c’è meno massa solida che si frappone“.
La riconnessione con l’anodo riporta in vita il litio morto, consentendo alla batteria di generare più energia e prolungarne la durata.
“In precedenza, pensavamo che questa perdita di energia fosse irreversibile”, ha detto Cui. “Ma il nostro studio ha dimostrato che possiamo recuperare la capacità perduta semplicemente facendo riposare la batteria scarica”.
Utilizzando la microscopia video time-lapse, i ricercatori hanno confermato visivamente la disintegrazione del SEI residuo e il successivo recupero del litio morto durante la fase di riposo.
Applicazioni pratiche
L’autista americano medio trascorre circa un’ora al volante ogni giorno, quindi l’idea di far riposare la batteria dell’auto per diverse ore è fattibile.
Un tipico veicolo elettrico può avere 4.000 batterie disposte in moduli controllati da un sistema di gestione delle batterie, un cervello elettronico che monitora e controlla le prestazioni della batteria. Nelle batterie al litio metallico, il sistema di gestione esistente può essere programmato per scaricare completamente un singolo modulo in modo che la sua capacità residua sia pari a zero.
Questo approccio non richiede nuove tecniche o materiali di produzione costosi, ha aggiunto Zhang.
“È possibile implementare il nostro protocollo con la stessa rapidità con cui si scrive il codice del sistema di gestione della batteria“, ha affermato. “Crediamo che in alcuni tipi di batterie al litio metallico, il semplice riposo in stato di scarica possa aumentare significativamente la durata del ciclo di vita dei veicoli elettrici”.
Riferimento: “Recovery of Isolated Lithium Through Discharged State Calendar Aging” 7 febbraio 2024, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06992-8
