Batterie a ricarica più veloce grazie a una ricerca che ha “spiato” i movimenti degli ioni di litio

Uno studio di alcuni scienziati statunitensi ha rivelato i motivi per cui il litio titanato impiegato nella realizzazione dell'anodo consente di realizzare batterie che si ricaricano assai più velocemente. Grazie ad esso in futuro sarà possibile sviluppare materiali appositi per batterie a ricarica ultra rapida sia per dispositivi mobili che per auto.

Un team di scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e del Lawrence Berkeley National Laboratory è riuscito a catturare in tempo reale il modo in cui gli ioni di litio si muovono nel titanato di litio (LTO), un materiale in litio, titanio e ossigeno utilizzato per realizzare l’anodo delle batterie a ricarica ultrarapida di prossima generazione, che si pensa potranno sostituire quelle attuali agli ioni di litio. Così facendo sono riusciti a scoprire che gli arrangiamenti (la posizione relativa degli atomi all’interno delle singole molecole) del litio e degli atomi circostanti a cui è legato, negli stati “intermedi” di concentrazione tra la fase iniziale e quella finale, forniscono una “corsia preferenziale” per il trasporto degli ioni litio, consentendo così una ricarica più veloce della batteria.

La loro scoperta, riportata nel numero di Science del 28 febbraio, potrebbe fornire spunti per la progettazione di materiali più efficienti per la ricarica rapida delle batterie per veicoli elettrici e dispositivi di elettronica di consumo mobili come smartphone e notebook.

“Bastano pochi minuti per riempire il serbatoio di un’auto, ma sono necessarie diverse ore per caricare la batteria di un veicolo elettrico”, ha spiegato Feng Wang, scienziato dei materiali nel dipartimento di scienze interdisciplinari del Brookhaven Lab e autore della ricerca. “Capire come far muovere gli ioni di litio più velocemente nei materiali degli elettrodi è un grosso problema, in quanto potrebbe aiutarci a costruire batterie migliori con tempi di ricarica notevolmente ridotti”.

L’analisi dei dati raccolti ha rivelato che il litio titanato ha configurazioni intermedie metastabili in cui gli atomi non si ritrovano nella loro solita disposizione a livello locale. Queste distorsioni “poliedriche” locali abbassano le barriere energetiche, fornendo così un percorso attraverso il quale gli ioni di litio possono viaggiare molto rapidamente. Nelle batterie infatti gli ioni di litio viaggiano costantemente tra un elettrodo positivo e negativo (catodo e anodo), attraverso un mezzo chimico chiamato elettrolita.

Nelle batterie agli ioni di litio più all’avanguardia si usa la grafite come anodo, ma per dispositivi a ricarica rapida il litio titanato è un’alternativa interessante, perché è in grado di accogliere rapidamente gli ioni di litio, senza soffrire dei tipici problemi di cui soffrono gli altri elettrodi, come l’accumulo di litio sulla superficie dell’elettrodo anziché internamente, fenomeno chiamato placcatura, che alla lunga diminuisce le prestazioni della batteria stessa. Lo studio attuale è fondamentale perché, rivelando per cui il litio titanato funziona meglio, apre la strada allo sviluppo di materiali più efficienti per gli elettrodi di nuova generazione, consentendo la realizzazione di batterie a ricarica super rapida.