Le batterie agli ioni di litio ricaricabili si trovano nella quasi totalità dei prodotti elettronici moderni. Si tratta di soluzioni formate da un elettrolita che fornisce elettroni, un anodo che scarica questi elettroni e un catodo che li riceve. In questo design l'anodo è solitamente composto da silicio o grafite, mentre il litio si trova nell'elettrolita. Ricercatori della Stanford University hanno invece trovato il modo di progettare un anodo di "puro litio" che dovrebbe migliorare enormemente l'efficienza della batteria.
"Di tutti i materiali che uno potrebbe usare in un anodo, il litio è quello con il maggiore potenziale. Alcuni lo chiamano il Santo Graal", ha dichiarato Yi Cui, professore alla Stanford e leader del team di ricerca. "È molto leggero e ha densità energetica più elevata". Finora ci sono stati alcuni problemi che hanno impedito di usare il litio per realizzare l'anodo.
Per prima cosa il litio durante la carica si espande in modo "virtualmente infinito" rispetto agli altri materiali. La sua espansione è irregolare e provoca solchi e fessure sulla superficie esterna, da cui fuoriescono gli ioni di litio formando escrescenze chiamate dendriti. I dendriti, a loro volta, creano corto circuiti e riducono la durata della batteria. La seconda sfida è che l'anodo in litio è altamente reattivo chimicamente con l'elettrolita. Lo usa e riduce la durata di vita della batteria. Infine anodo ed elettrolita producono calore quando entrano in contatto, con il rischio di scatenare un incendio o un'esplosione.
Per risolvere questi problemi i ricercatori della Stanford hanno messo a punto uno strato protettivo - spesso solo 20 nanometri - di cupole di carbonio interconnesse sopra l'anodo di litio. Chiamato "nanospheres", questo layer è flessibile, uniforme e non reagisce, proteggendo il litio dai suoi problemi. In termini tecnici, le nanosfere migliorano l'efficienza coulombica della batteria - il rapporto tra la quantità di litio che può essere estratto dall'anodo quando la batteria è in uso rispetto alla quantità immessa durante la carica.
Per essere adatta alla commercializzazione una batteria deve avere un'efficienza coulombica del 99,9% o superiore. Gli anodi precedenti, senza protezione, raggiungevano un'efficienza del 96 percento, che scendeva a meno del 50% dopo appena 100 cicli. Il team di Stanford è riuscito a ottenere un anodo al litio con un'efficienza del 99% anche dopo 150 cicli.
"La differenza tra 99 e 96 percento è enorme. Non siamo alla soglia del 99,9% che dobbiamo raggiungere, ma ci siamo vicini e questo è miglioramento importante rispetto al design precedente. Con ulteriore lavoro e nuovi elettroliti crediamo di poter realizzare un anodo al litio stabile e efficace per la prossima generazione di batterie ricaricabili", ha affermato Yi Cui. I ricercatori prevedono che una batteria realizzata in questo modo potrebbe consentire la progettazione di smartphone con un'autonomia doppia o tripla rispetto a oggi, o "una macchina elettrica con una capacità di percorrenza di 480 chilometri che costa solo 18.000 euro".