Batteria a secco per una maggiore sicurezza
I ricercatori del Politecnico di Zurigo hanno sviluppato una batteria agli ioni di litio composta esclusivamente da materiale solido, senza liquidi né gel. Anche a temperature molto elevate, non può incendiarsi.
Le batterie agli ioni di litio possono immagazzinare molta energia in uno spazio ridotto. Questo le rende la fonte di energia preferita per i dispositivi elettronici mobili. Telefoni cellulari, computer portatili, biciclette elettriche e automobili elettriche sono oggi alimentati da queste batterie. I ricercatori del Politecnico di Zurigo hanno ora sviluppato un tipo di batteria che, a differenza di quelle convenzionali, è costituita esclusivamente da composti chimici solidi e non è infiammabile.
Le classiche batterie agli ioni di litio non sono del tutto innocue: più volte in passato le batterie dei cellulari sono esplose, causando feriti. E nel centro storico di Steckborn, sul lago di Costanza, sei mesi fa è andata a fuoco un'intera fila di case. L'incendio è stato causato da un modello di batteria che ha preso fuoco perché presumibilmente non era stato caricato correttamente.
Le batterie allo stato solido possono essere fortemente riscaldate
Nelle batterie classiche agli ioni di litio, come nella maggior parte delle altre batterie, i poli positivo e negativo - i due elettrodi - sono costituiti da composti conduttori solidi; le cariche si muovono tra questi elettrodi in un elettrolita liquido o gel. Se si carica una batteria di questo tipo in modo improprio (sovraccarico) o se la si lascia al sole, il liquido può incendiarsi o il gel può gonfiarsi.
La situazione è diversa nelle cosiddette batterie allo stato solido, attualmente in fase di sviluppo in molti laboratori di ricerca in tutto il mondo: In esse, non solo gli elettrodi ma anche l'elettrolita intermedio sono fatti di materiale solido. "Gli elettroliti solidi non iniziano a bruciare, anche quando vengono riscaldati molto o esposti all'aria", spiega Jennifer Rupp. Professoressa di materiali elettrochimici al Politecnico di Zurigo, ha guidato lo sviluppo del nuovo tipo di batteria.
La ricerca all'interfaccia
Una delle sfide nello sviluppo di batterie allo stato solido è quella di collegare gli elettrodi e l'elettrolita in modo tale che le cariche possano circolare tra loro con la minore resistenza possibile. I ricercatori dell'ETH hanno ora trovato un approccio produttivo migliore per questa interfaccia elettrodo-elettrolita.
In laboratorio hanno prodotto una batteria di tipo sandwich: uno strato di un composto contenente litio (granato di litio) si trova tra i due elettrodi come elettrolita solido. Il granato di litio è uno dei materiali con la più alta conduttività conosciuta per gli ioni di litio.
"Durante il processo di produzione, ci siamo assicurati che lo strato elettrolitico solido avesse una superficie porosa", spiega Jan van den Broek, studente di master nel gruppo di Rupp e uno dei primi autori dello studio. I ricercatori hanno applicato il materiale del polo negativo in forma liquida, che è riuscito a penetrare nei pori. Infine, gli scienziati hanno indurito la batteria a 100 gradi Celsius. "Con un elettrolita liquido o in gel, non sarebbe stato possibile riscaldare una batteria a temperature così elevate", afferma van den Broek. Grazie al trucco dei pori, i ricercatori sono riusciti ad aumentare notevolmente l'area di contatto tra il polo negativo e l'elettrolita, con la conseguenza che la batteria può essere caricata più velocemente.
Temperature più elevate per una maggiore capacità
Le batterie realizzate in questo modo potrebbero teoricamente funzionare a temperature ambiente normali, afferma Semih Afyon, ex scienziato del gruppo di Rupp e ora professore all'Istituto di Tecnologia di Izmir in Turchia. Tuttavia, allo stadio attuale di sviluppo, funzionano bene solo a circa 95 gradi. "Gli ioni di litio possono così muoversi meglio nella batteria", spiega Afyon.
Questa circostanza potrebbe essere utilizzata, ad esempio, nelle centrali elettriche a batteria che possono immagazzinare l'energia in eccesso e rilasciarla in un secondo momento. "Oggi molti processi industriali generano calore di scarto che rimane inutilizzato", spiega Afyon. "Accoppiando le centrali di accumulo a batteria con gli impianti industriali, si potrebbe utilizzare il calore di scarto per far funzionare la centrale di accumulo a temperature ottimali".
Nuove batterie a film sottile
"Molti degli attuali progetti di ricerca sulle batterie allo stato solido si concentrano sul miglioramento degli elettroliti", afferma Afyon. Esistono solo pochi studi come questo, in cui gli scienziati assemblano un'intera batteria allo stato solido - usando i metodi utilizzati anche nella produzione industriale - e la testano.
"Con questo lavoro abbiamo prodotto per la prima volta un'intera batteria agli ioni di litio con un elettrolita solido di granato di litio e un polo negativo solido fatto di ossido. Abbiamo così dimostrato che è possibile costruire intere batterie con il granato di litio", afferma il professor Rupp dell'ETH. Grazie a questo elettrolita solido, non solo è possibile far funzionare le batterie a temperature più elevate, ma anche costruire batterie a film sottile. Queste includono batterie che possono essere collocate direttamente su chip di silicio.
"Queste batterie a film sottile potrebbero rivoluzionare l'approvvigionamento energetico dei dispositivi elettronici portatili", afferma Rupp. Nel prosieguo della ricerca, lei e il suo team stanno perseguendo questo approccio. A tal fine, hanno collaborato anche con partner industriali, come l'Istituto Paul Scherrer e l'Empa. I prossimi passi saranno l'ottimizzazione della batteria, in particolare per aumentare ulteriormente la conduttività dell'interfaccia elettrodo-elettrolita.
Testo: Fabio Bergamin , Politecnico di Zurigo
Riferimento bibliografico: Van den Broek J, Afyon S, Rupp JLM: Interface-Engineered All-Solid-State Li-Ion Batteries Based on Garnet-Type Fast Li+ Conductors. Advanced Energy Materials 2016, 1600736, doi: 10.1002/aenm.201600736
