Le batterie ricaricabili agli ioni di litio vengono utilizzate per alimentare molti dispositivi elettronici nella nostra vita quotidiana, dai laptop e cellulari alle auto elettriche.Le batterie agli ioni di litio oggi disponibili sul mercato si basano generalmente su una soluzione liquida, chiamata elettrolita, al centro della cella.

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

Le batterie agli ioni di litio che fanno affidamento su elettroliti liquidi presentano un grave problema di sicurezza: possono prendere fuoco se sovraccaricate o cortocircuitate.Un'alternativa più sicura agli elettroliti liquidi è costruire una batteria che utilizzi un elettrolita solido per trasportare gli ioni di litio tra l'anodo e il catodo.

Tuttavia, studi precedenti avevano scoperto che un elettrolita solido portava a piccole escrescenze metalliche, chiamate dendriti, che si accumulavano sull’anodo durante la ricarica della batteria.Questi dendriti cortocircuitano le batterie a basse correnti, rendendole inutilizzabili.

La crescita dei dendriti inizia in piccoli difetti nell'elettrolita al confine tra elettrolita e anodo.Gli scienziati indiani hanno recentemente scoperto un modo per rallentare la crescita dei dendriti.Aggiungendo un sottile strato metallico tra l'elettrolita e l'anodo, possono impedire ai dendriti di crescere nell'anodo.

Gli scienziati hanno scelto di studiare l'alluminio e il tungsteno come possibili metalli per costruire questo sottile strato metallico.Questo perché né l'alluminio né il tungsteno si mescolano, o si legano, con il litio.Gli scienziati ritenevano che ciò avrebbe ridotto la probabilità che si formassero difetti nel litio.Se il metallo scelto si legasse al litio, piccole quantità di litio potrebbero spostarsi nello strato metallico nel tempo.Ciò lascerebbe un tipo di difetto chiamato vuoto nel litio dove potrebbe 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 osservare da vicino il confine tra anodo ed elettrolita.Hanno visto piccole lacune e buchi nel campione senza strato metallico, notando che questi difetti sono probabilmente luoghi in cui crescono i dendriti.Entrambe le batterie con strati di alluminio e tungsteno apparivano lisce e continue.

Nel primo esperimento, una corrente elettrica costante veniva fatta circolare attraverso ciascuna batteria per 24 ore.La batteria priva di strato metallico è andata in cortocircuito e si è guastata entro le prime 9 ore, probabilmente a causa della crescita dei dendriti.Né la batteria con alluminio né quella con tungsteno hanno fallito in questo esperimento iniziale.

Per determinare quale strato metallico fosse migliore nel fermare la crescita dei dendriti, è stato eseguito un altro esperimento solo sui campioni di strati di alluminio e tungsteno.In questo esperimento, le batterie sono state sottoposte a cicli di densità di corrente crescenti, iniziando dalla corrente utilizzata nell'esperimento precedente e aumentando di una piccola quantità ad ogni passaggio.

Si ritiene che la densità di corrente alla quale la batteria è andata in cortocircuito fosse la densità di corrente critica per la crescita dei dendriti.La batteria con uno strato di alluminio si è guastata a tre volte la corrente di avviamento, mentre la batteria con uno strato di tungsteno si è guastata a oltre cinque volte la corrente di avviamento.Questo esperimento mostra che il tungsteno ha sovraperformato l'alluminio.

Anche in questo caso, gli scienziati hanno utilizzato un microscopio elettronico a scansione per ispezionare il confine tra anodo ed elettrolita.Hanno visto che i vuoti cominciavano 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 di vuoti procede con la crescita dei dendriti.

Gli scienziati hanno quindi eseguito calcoli computazionali per comprendere come il litio interagisce con questi metalli, utilizzando ciò che sappiamo su come il tungsteno e l’alluminio rispondono ai cambiamenti di energia e temperatura.Hanno dimostrato che gli strati di alluminio hanno effettivamente una maggiore probabilità di sviluppo di vuoti quando interagiscono con il litio.L’utilizzo di questi calcoli renderebbe più semplice la scelta di un altro tipo di metallo da testare in futuro.

Questo studio ha dimostrato che le batterie ad 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 anziché l’alluminio, potrebbe far durare le batterie ancora più a lungo.Migliorare le prestazioni di questi tipi di batterie li porterà un passo avanti verso la sostituzione delle batterie ad elettrolita liquido altamente infiammabili oggi sul mercato.