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Batterie litio-metallo negli smartphone? Basta una membrana

Alla Cornell University hanno risolto un problema fondamentale delle batterie litio-metallo, contenendo i dendriti e permettendo il funzionamento sicuro a temperatura ambiente. Queste batterie promettono di assicurare maggiore autonomia per i dispositivi elettronici.

Batterie litio-metallo negli smartphone? Basta una membrana

Un team di ricercatori della Cornell University ha messo a punto un'innovazione che potrebbe favorire la creazione di batterie ricaricabili litio-metallo capaci di stoccare molta più energia rispetto alle batterie agli ioni di litio usate nella quasi totalità dei dispositivi elettronici.

Le batterie litio-metallo sono note da circa quarant'anni, ma a oggi non sono usate comunemente perché durante la ricarica vedono crescere sulla superficie del catodo (elettrodo negativo) delle protuberanze chiamate dendriti.

batteria cornell
Il team della Cornell University, con il professor Archer al centro e Snehashis Choudhury all'estrema destra

Il problema è che dopo molte ore di funzionamento, questi dendriti crescono fino a occupare lo spazio tra l'elettrodo negativo e quello positivo provocando un corto circuito e un potenziale pericolo per la sicurezza. Fino a oggi l'espansione dei dendriti è stata contenuta inserendo tra i due elettrodi una barriera resistente meccanicamente, di solito un separatore ceramico.

La relativa non conducibilità e fragilità di tale barriera, tuttavia, fa sì che la batteria debba operare ad alte temperature e sia soggetta a guasti nel caso la barriera si rompa. I ricercatori della Cornell, tra cui il professor Lynden Archer e il dottorando Snehashis Choudhury, ritengono che usando membrane nanostrutturate con dimensione dei pori inferiore a un determinato valore critico sia possibile bloccare la crescita dei dendriti nelle batterie a temperatura ambiente.

membrana cornell

"Il problema con le barriere ceramiche è che si tratta di una soluzione netta che compromette la conducibilità", ha affermato Archer. "Questo significa che le batterie che usano materiali ceramici devono operare a temperature molto elevate – tra i 300 e i 400 °C in alcuni casi. In che modo è possibile inserirla nel mio iPhone?".

Ovviamente non si può, ma con la nuova membrana la creazione di una batteria litio-metallo altamente efficiente adatta ai dispositivi elettronici potrebbe diventare realtà in un futuro non troppo lontano. Durante i suoi studi il ricercatore Snehashis Choudhury ha identificato un polimero, l'ossido di polietilene, come particolarmente promettente. L'idea era quella di avvantaggiarsi di nanoparticelle "pelose", create innestando l'ossido di polietilene sulla silice, per formare materiali ibridi organici in nanoscala (NOHM) e creare membrane nanoporose.

Per schermare i dendriti le nanoparticelle con ossido di polietilene sono collegate a un altro polimero, l'ossido di polipropilene, in modo da irrobustire la membrana e far passare facilmente il liquido elettrolita. Questo porta ad avere strutture con buona conduttività a temperatura ambiente, pur impedendo la crescita dei dendriti.

Insomma anziché avere un muro che blocchi la proliferazione dei dendriti, in futuro ci sarà una membrana che farà passare gli ioni, ma non i dendriti, grazie a pori molto piccoli. Un altro aspetto positivo di questa soluzione è che è facilmente implementabile in una batteria, in quanto il design non deve subire cambiamenti radicali.

"Le strutture create da Snehashis sono efficaci anche con batterie basate su altri metalli, come sodio e alluminio, che sono più abbondanti e meno costose del litio e anche limitate per quanto concerne lo sviluppo di dendriti", detto Archer. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications.

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