Le batterie ricaricabili agli ioni di litio sono utilizzate per alimentare molti dispositivi elettronici nella nostra vita quotidiana, dai computer portatili e telefoni cellulari alle auto elettriche. Le batterie agli ioni di litio attualmente in commercio si basano in genere su una soluzione liquida, chiamata elettrolita, al centro della cella.

Quando la batteria alimenta un dispositivo, gli ioni di litio si spostano dall'estremità carica negativamente, o anodo, attraverso l'elettrolita liquido, fino all'estremità carica positivamente, o catodo. Quando la batteria viene ricaricata, gli ioni fluiscono nella direzione opposta, dal catodo, attraverso l'elettrolita, fino all'anodo.

Le batterie agli ioni di litio che utilizzano elettroliti liquidi presentano un grave problema di sicurezza: possono incendiarsi in caso di sovraccarico o cortocircuito. Un'alternativa più sicura agli elettroliti liquidi è rappresentata dalle batterie che utilizzano un elettrolita solido per trasportare gli ioni di litio tra l'anodo e il catodo.

Tuttavia, studi precedenti hanno scoperto che un elettrolita solido portava alla formazione di piccole escrescenze metalliche, chiamate dendriti, che si accumulavano sull'anodo durante la carica della batteria. Queste dendriti provocano cortocircuiti nelle batterie a basse correnti, rendendole inutilizzabili.

La crescita dei dendriti inizia in corrispondenza di piccole imperfezioni nell'elettrolita, al confine tra elettrolita e anodo. Alcuni scienziati in India hanno recentemente scoperto un modo per rallentare la crescita dei dendriti. Aggiungendo un sottile strato metallico tra l'elettrolita e l'anodo, è possibile impedire ai dendriti di penetrare nell'anodo.

Gli scienziati hanno scelto di studiare l'alluminio e il tungsteno come possibili metalli per realizzare questo sottile strato metallico. Questo perché né l'alluminio né il tungsteno si legano, o legano, con il litio. Gli scienziati ritenevano che ciò avrebbe ridotto la probabilità di formazione di difetti nel litio. Se il metallo scelto si legasse con il litio, piccole quantità di litio potrebbero migrare nello strato metallico nel tempo. Ciò creerebbe un tipo di difetto, chiamato vuoto, nel litio, dove potrebbe poi formarsi un dendrite.

Per testare l'efficacia dello strato metallico, sono stati assemblati tre tipi di batterie: una con un sottile strato di alluminio tra l'anodo di litio e l'elettrolita solido, una con un sottile strato di tungsteno e una senza strato metallico.

Prima di testare le batterie, gli scienziati hanno utilizzato un microscopio ad alta potenza, chiamato microscopio elettronico a scansione, per esaminare attentamente il confine tra anodo ed elettrolita. Hanno notato piccole lacune e fori nel campione privo di strato metallico, osservando che questi difetti sono probabili punti di crescita per i dendriti. Entrambe le batterie, sia quella con strati di alluminio che quella con strati di tungsteno, apparivano lisce e continue.

Nel primo esperimento, una corrente elettrica costante è stata fatta passare attraverso ciascuna batteria per 24 ore. La batteria senza strato metallico è andata in cortocircuito e si è guastata entro le prime 9 ore, probabilmente a causa della crescita di dendriti. Nessuna delle due batterie, né quella con alluminio né quella con tungsteno, si è guastata in questo esperimento iniziale.

Per determinare quale strato metallico fosse più efficace nell'arrestare la crescita dei dendriti, è stato condotto un ulteriore esperimento sui campioni costituiti solo da strati di alluminio e tungsteno. In questo esperimento, le batterie sono state sottoposte a cicli di carica e scarica con densità di corrente crescenti, partendo dalla corrente utilizzata nell'esperimento precedente e aumentandola gradualmente a ogni passaggio.

Si riteneva che la densità di corrente alla quale la batteria andava in cortocircuito fosse la densità di corrente critica per la crescita dei dendriti. La batteria con uno strato di alluminio si è guastata a una corrente tre volte superiore a quella iniziale, mentre la batteria con uno strato di tungsteno si è guastata a una corrente oltre cinque volte superiore a quella iniziale. Questo esperimento dimostra che il tungsteno ha prestazioni superiori rispetto all'alluminio.

Ancora una volta, gli scienziati hanno utilizzato un microscopio elettronico a scansione per esaminare il confine tra anodo ed elettrolita. Hanno osservato che i vuoti iniziavano a formarsi nello strato metallico a due terzi delle densità di corrente critiche misurate nell'esperimento precedente. Tuttavia, i vuoti non erano presenti a un terzo della densità di corrente critica. Ciò ha confermato che la formazione dei vuoti precede la crescita dei dendriti.

Gli scienziati hanno quindi eseguito calcoli computazionali per comprendere come il litio interagisce con questi metalli, utilizzando le conoscenze acquisite sulla risposta del tungsteno e dell'alluminio alle variazioni di energia e temperatura. Hanno dimostrato che gli strati di alluminio presentano effettivamente una maggiore probabilità di formazione di vuoti quando interagiscono con il litio. L'utilizzo di questi calcoli faciliterebbe la scelta di un altro tipo di metallo da testare in futuro.

Questo studio ha dimostrato che le batterie a elettrolita solido sono più affidabili quando viene aggiunto un sottile strato metallico tra l'elettrolita e l'anodo. Gli scienziati hanno anche dimostrato che la scelta di un metallo rispetto a un altro, in questo caso il tungsteno al posto dell'alluminio, potrebbe prolungare ulteriormente la durata delle batterie. Il miglioramento delle prestazioni di queste tipologie di batterie le avvicinerà alla possibilità di sostituire le batterie a elettrolita liquido, altamente infiammabili, attualmente in commercio.