Il mistero dietro il degrado delle batterie al litio
Un team di ricercatori americani ha analizzato per la prima volta le proprietà meccaniche delle minuscole strutture che si formano all’interno delle batterie al litio. I risultati rimettono in discussione tutto ciò che pensavamo di sapere sulla progettazione degli accumulatori.
Una normale batteria agli ioni di litio — quella del tuo smartphone o della tua auto elettrica — contiene due elettrodi separati da un sottile strato isolante chiamato separatore. Durante la ricarica, sulla superficie dell’anodo di litio cominciano a crescere microscopici filamenti aghiformi, noti come dendriti. Il loro spessore è fino a cento volte inferiore al diametro di un capello umano.
Cosa succede dentro la batteria ad ogni ciclo di ricarica
Questi filamenti crescono a ogni ciclo di ricarica. Quando diventano abbastanza lunghi da attraversare il separatore, creano un cortocircuito interno tra le elettrodi. La carica elettrica, invece di scorrere attraverso il circuito esterno, si trasferisce direttamente da un elettrodo all’altro.
Il risultato è un surriscaldamento progressivo, un calo della capacità e, nei casi più gravi, il rischio di incendio o esplosione. Si stima che questo tipo di danno progressivo colpisca milioni di accumulatori ogni anno. I produttori di solito mascherano il problema con capacità di riserva e sistemi di sicurezza aggressivi, ma le leggi della fisica non si aggirano all’infinito.
Tutti sbagliavano: i dendriti non sono affatto morbidi
Negli ultimi anni si dava per scontato che i dendriti fossero plastici quanto il litio solido puro. La logica sembrava inattaccabile: se nascono da quel materiale, dovrebbero averne le stesse proprietà. Su questa base erano state costruite intere strategie di protezione delle batterie, dai nuovi elettroliti ai separatori rinforzati.
Un team del New Jersey Institute of Technology e della Rice University ha deciso di verificare sperimentalmente questa comoda ipotesi. Utilizzando un avanzato microscopio elettronico operante nel vuoto — per eliminare qualsiasi influenza di ossigeno e umidità — i ricercatori hanno letteralmente piegato i singoli dendriti misurando la loro risposta alle sollecitazioni meccaniche.
Quello che hanno visto non corrispondeva a nessun manuale. Invece di deformarsi in modo graduale, i filamenti di litio si spezzavano di netto, senza alcuna piegatura preliminare. I dendriti si comportano come microaghi rigidi e fragili, non come un metallo duttile e flessibile.
La resistenza a trazione misurata ha raggiunto circa 150 megapascal, mentre il litio solido ne ha appena 0,6. Stiamo parlando di strutture oltre duecento volte più dure del materiale da cui si originano. Il motivo di questa differenza enorme? Un sottilissimo strato di ossido che si forma sulla superficie dei filamenti in una frazione di secondo.
Perché le batterie al litio perdono capacità e possono prendere fuoco
I ricercatori americani hanno identificato una serie di problemi chiave legati ai dendriti:
- I microscopici filamenti di litio attraversano il separatore e generano cortocircuiti interni
- A ogni ciclo di ricarica i dendriti crescono e diventano sempre più lunghi
- Lo strato di ossido in superficie trasforma le proprietà del materiale da morbido a fragile
- I frammenti che si staccano formano il cosiddetto litio morto all’interno della batteria
- Il litio morto non partecipa più alla reazione chimica, ma rimane sospeso nell’elettrolita
- A ogni ciclo diminuisce la quantità di litio attivo, e quindi la capacità complessiva
- Le auto elettriche perdono progressivamente autonomia, gli smartphone reggono sempre meno con una carica
Ogni ciclo di ricarica produce nuovi frammenti. Nel tempo, il litio attivo si riduce e la capacità della batteria cala di decine di punti percentuali. L’utente lo percepisce come una durata sempre più breve dello smartphone o come un’autonomia ridotta del veicolo elettrico. La cella fisicamente non è consumata, ma gran parte del materiale diventa elettrochimicamente inutilizzabile.
Lo strato nanometrico di ossido ha uno spessore di pochi nanometri, eppure cambia completamente il comportamento del materiale: da metallo morbido nasce una struttura dura e fragile che ricorda la ceramica. Questi risultati sono stati pubblicati dai ricercatori delle università del New Jersey e di Houston, in Texas.
Il triplo dell’autonomia è bloccato dalla fisica dei dendriti
Tutta questa storia acquista ancora più rilevanza quando si parla di batterie litio-metallo. In questa tecnologia l’anodo di grafite viene sostituito da litio puro, il che in pratica consentirebbe una densità energetica fino a tre volte superiore. Un’auto elettrica potrebbe percorrere non trecento, ma ottocento o novecento chilometri con una singola ricarica, senza aumentare le dimensioni della batteria.
Sembra il Santo Graal dell’elettromobilità. Non sorprende che le case automobilistiche investano miliardi di dollari in questa ricerca. Il problema è che proprio in questo tipo di batterie i dendriti sono più pericolosi che mai: crescono più velocemente e in numero maggiore rispetto agli accumulatori agli ioni di litio tradizionali.
I ricercatori del NJIT hanno misurato una resistenza meccanica che ha sorpreso persino loro. Queste microstrutture rigide riescono a perforare con facilità il separatore e alcuni materiali polimerici o ceramici. Questo spiega perché le soluzioni attuali basate su elettroliti solidi non sono ancora sufficienti.
Se un filamento di litio è più duro della maggior parte dei polimeri o di alcune ceramiche, può penetrare progressivamente anche in un materiale solido. È un po’ come un ago d’acciaio molto affilato che attraversa una gomma apparentemente compatta. Il team del New Jersey Institute of Technology sta lavorando su tre possibili direzioni di sviluppo.
Una nuova visione delle batterie: i materiali devono resistere ad aghi durissimi
Le attuali concezioni di accumulatori ultra-sicuri si basano spesso sui cosiddetti elettroliti solidi. In teoria, un tale materiale dovrebbe essere più resistente di un liquido e bloccare la crescita dei dendriti come una vera e propria armatura. I risultati più recenti, però, suggeriscono che questo non basta.
I ricercatori delineano tre possibili strade per il futuro. La prima è lo sviluppo di nuove leghe di litio — aggiungendo altri elementi per limitare la formazione dello strato di ossido rigido e modificare il modo in cui crescono i filamenti. La seconda direzione riguarda i separatori con struttura flessibile, non semplicemente più robusti, ma in grado di assorbire parzialmente le tensioni meccaniche.
La terza strada prevede additivi nell’elettrolita — composti chimici che controllano la struttura cristallina dei dendriti appena formati, facendoli crescere più lentamente o in direzioni meno pericolose. Soluzioni di questo tipo potrebbero rendere le future batterie ad alta densità energetica non solo più capienti, ma anche molto più durevoli e meno soggette a guasti improvvisi.
I produttori di auto elettriche aspettano esattamente questo tipo di svolta, perché la sicurezza e la durata delle celle determinano la redditività dell’intera trasformazione della mobilità. I ricercatori della Rice University ricordano che un singolo esperimento ben condotto può cambiare la direzione di un intero settore industriale.
Cosa significa tutto questo per le auto elettriche e per l’energia
Se si riuscisse a domare completamente i dendriti, le batterie litio-metallo potrebbero diventare lo standard nei veicoli con un’autonomia paragonabile — o superiore — a quella delle auto tradizionali a combustione interna. Per il guidatore medio questo significherebbe ricaricare una volta ogni pochi giorni invece che ogni giorno, con molta meno ansia per i percorsi lunghi.
Queste celle sarebbero preziose anche per gli impianti di accumulo energetico destinati al fotovoltaico o alle turbine eoliche. In quel contesto ogni kilowattora in più contenuto in un armadio batterie e ogni ciclo in più prima della sostituzione fanno la differenza. Accumulatori più duraturi e stabili potrebbero abbattere i costi dello stoccaggio dell’energia rinnovabile — una delle sfide principali della transizione energetica.
Per l’utente finale, questo cambiamento di prospettiva significa soprattutto una cosa: la concreta possibilità che, tra qualche anno, le batterie di telefoni, notebook e automobili smettano di essere associate all’usura rapida e al rischio di autocombustione. Potrebbero diventare, al contrario, un elemento affidabile e longevo dell’infrastruttura quotidiana. Hai mai notato un calo rapido della batteria nel tuo smartphone o nella tua bici elettrica?
