Le batterie allo stato solido hanno un difetto che le perseguita da anni, e finalmente qualcuno sembra aver capito da dove nasce. Un gruppo di ricercatori del Max Planck Institute for Sustainable Materials ha messo a fuoco il meccanismo esatto che porta queste batterie a rompersi dall’interno, e la scoperta apre la strada a dispositivi più sicuri e con una durata decisamente superiore rispetto a quello che usiamo adesso. La ricerca è finita sulle pagine della rivista Nature, e non è un dettaglio da poco.
Per capire perché tutto questo conta, serve un passo indietro. Smartphone, veicoli elettrici e praticamente ogni oggetto portatile che ci circonda dipendono dalle batterie. E man mano che cresce la fame di energia, migliorare capacità, sicurezza e vita utile diventa un tema centrale per il futuro dell’elettrificazione. Le batterie allo stato solido sono tra le tecnologie più promettenti in circolazione, con la prospettiva di far durare uno smartphone diversi giorni con una sola carica e di regalare ai veicoli elettrici un’autonomia fino a tre volte maggiore rispetto a molti modelli attuali.
Perché i dendriti mandano in crisi le batterie
La differenza rispetto alle classiche batterie agli ioni di litio sta nell’elettrolita. Quelle tradizionali usano un elettrolita liquido tra due elettrodi solidi, mentre le batterie allo stato solido sostituiscono il liquido con un materiale solido. Sulla carta i vantaggi sono parecchi: densità energetica più alta, maggiore sicurezza e una durata più lunga. Ma c’è un problema testardo che ne ha frenato l’arrivo sul mercato. Durante la ricarica crescono minuscole strutture ad albero chiamate dendriti, che partono dall’anodo di litio, bucano l’elettrolita solido e finiscono per creare cortocircuiti interni.
Il vero rompicapo era proprio questo. Come fa un materiale morbido a sfondare una ceramica dura? Lo spiega bene Yuwei Zhang, primo autore dello studio e a capo del gruppo che si occupa della chimica e meccanica dei materiali per batterie. Sia gli elettrodi sia i dendriti sono fatti di litio metallico, morbido come una caramella gommosa, eppure riescono a penetrare l’elettrolita ceramico e a provocare il corto. Le ipotesi in campo erano due: o si accumulava una tensione interna nei dendriti capace di fratturare meccanicamente l’elettrolita, oppure erano gli elettroni a filtrare lungo i bordi dei grani, favorendo la formazione di nuclei di litio che poi si collegavano tra loro.
La risposta e le contromisure in arrivo
Per capire quale delle due ipotesi fosse corretta, il gruppo ha usato una combinazione avanzata di tecniche di preparazione dei campioni e di analisi dei materiali. Ogni passaggio è stato fatto sotto vuoto e a temperature criogeniche, così da eliminare qualsiasi interferenza da ossigeno, acqua o persino dal fascio di elettroni dei microscopi. Studiando la tensione interna e la deformazione dei dendriti intrappolati nelle crepe, i ricercatori non hanno trovato alcun accumulo di litio davanti alla punta del dendrite. Questo ha scartato una delle due spiegazioni.
Il litio morbido, insomma, penetra la ceramica rigida come un getto d’acqua continuo che scava la roccia. I calcoli mostrano che la pressione idrostatica dentro il dendrite porta a una frattura fragile dell’elettrolita solido. Le conclusioni sono state poi confermate con simulazioni a campo di fase e misure di diffrazione degli elettroni retrodiffusi.
Ora che il meccanismo è chiaro, il gruppo sta cercando il modo di fermarlo o almeno rallentarlo. Sul tavolo ci sono diverse strade: rendere l’elettrolita solido più tenace per resistere più a lungo alle crepe, introdurre microscopici vuoti che deviano la crescita dei dendriti allontanando le fratture dalle zone delicate, oppure aggiungere rivestimenti protettivi agli elettrodi di litio per ridurre alla radice la formazione dei dendriti. Un lavoro che dimostra quanto conti capire il comportamento dei materiali su scala microscopica, e che potrebbe trasformare le batterie allo stato solido da promessa a tecnologia concreta per i futuri smartphone e veicoli elettrici.