Batteria a secco per una maggiore sicurezza

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 ora alimentati da queste batterie. I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno ora sviluppato un tipo di batteria che, a differenza delle batterie convenzionali, è costituita esclusivamente da composti chimici solidi e non è infiammabile.

Le classiche batterie agli ioni di litio non sono del tutto innocue: in passato le batterie dei cellulari sono esplose più volte, provocando feriti. E sei mesi fa, un'intera fila di case nel centro storico di Steckborn, sul lago di Costanza, è andata a fuoco. Il grave incendio è stato causato da una batteria da modellismo che ha preso fuoco perché presumibilmente non era stata caricata correttamente.

Le batterie a stato solido possono essere riscaldate ad alte temperature

Nelle classiche batterie 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 una batteria di questo tipo viene caricata in modo improprio (sovraccarico) o lasciata al sole, il liquido può incendiarsi o il gel può gonfiarsi.

Le batterie allo stato solido, attualmente in fase di sviluppo in molti laboratori di ricerca in tutto il mondo, sono diverse: In esse, non solo gli elettrodi ma anche l'elettrolita intermedio sono fatti di materiale solido. "Gli elettroliti solidi non iniziano a bruciare, anche se vengono riscaldati molto o aperti all'aria", spiega Jennifer Rupp. Professoressa di materiali elettrochimici presso l'ETH di Zurigo, ha guidato lo sviluppo del nuovo tipo di batteria.

Ricerca all'interfaccia

Una delle sfide nello sviluppo delle 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 a sandwich: tra i due elettrodi c'è uno strato di un composto contenente litio (granato di litio) come elettrolita solido. Il granato di litio è uno dei materiali con la più alta conducibilità conosciuta per gli ioni di litio.

"Durante la produzione, ci siamo assicurati che lo strato di elettrolita 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 quindi applicato il materiale del polo negativo in forma liquida sulla superficie, facendolo penetrare nei pori. Infine, gli scienziati hanno indurito la batteria a 100 gradi Celsius. "Non sarebbe stato possibile riscaldare una batteria a temperature così elevate con un elettrolita liquido o in gel", spiega van den Broek. Grazie al trucco dei pori, i ricercatori sono riusciti ad aumentare notevolmente la superficie di contatto tra il polo negativo e l'elettrolita, il che significa che la batteria può essere caricata più rapidamente.

Temperature più elevate per una maggiore capacità

Le batterie prodotte in questo modo potrebbero teoricamente funzionare a temperature ambiente normali, afferma Semih Afyon, alumni del gruppo di Rupp e ora professore all'Izmir Institute of Technology 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.

Questo potrebbe essere utilizzato, ad esempio, nelle centrali elettriche a batteria, che possono immagazzinare l'energia in eccesso e rilasciarla in momenti diversi. "Molti processi industriali oggi generano calore di scarto che rimane inutilizzato", spiega Afyon. "Accoppiando le centrali elettriche di accumulo a batteria con gli impianti industriali, il calore di scarto potrebbe essere utilizzato per far funzionare la centrale elettrica di accumulo a temperature ottimali".

Nuove batterie a film sottile

"Molti degli attuali progetti di ricerca sulle batterie a stato solido si concentrano sul miglioramento degli elettroliti", afferma Afyon. Esistono solo pochi studi come questo, in cui gli scienziati assemblano e testano un'intera batteria allo stato solido - utilizzando metodi che vengono impiegati anche nella produzione industriale.

"In questo lavoro abbiamo fabbricato per la prima volta un'intera batteria agli ioni di litio con un elettrolita solido di litio granato e un terminale negativo solido fatto di ossido. Abbiamo così dimostrato che è possibile costruire intere batterie con il granato di litio", afferma l'ETH professor Rupp. 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. Lei e il suo team stanno perseguendo questo approccio in ulteriori ricerche. A tal fine, stanno collaborando con partner industriali, con l'Istituto Paul Scherrer e con l'Empa. I prossimi passi saranno l'ottimizzazione della batteria, in particolare per aumentare ulteriormente la conduttività all'interfaccia elettrodo-elettrolita.