Le batterie allo stato solido rappresentano da decenni una delle frontiere più promettenti dell'elettrochimica applicata, capaci in teoria di superare i limiti intrinseci delle attuali batterie agli ioni di litio: maggiore densità energetica, ricarica ultrarapida e sicurezza intrinseca grazie all'eliminazione degli elettroliti liquidi infiammabili. Tuttavia, un ostacolo apparentemente insormontabile ha finora impedito la loro commercializzazione su larga scala: gli elettroliti solidi ceramici, pur permettendo un'efficiente conduzione ionica del litio, sviluppano microfratture che si propagano ad ogni ciclo di carica-scarica, portando al cedimento prematuro della cella. Un gruppo di ricerca dell'Università di Stanford ha ora identificato una soluzione innovativa che potrebbe finalmente sbloccare questa tecnologia, pubblicando i risultati sulla rivista Nature Materials il 16 gennaio.
Il cuore della scoperta risiede in un trattamento superficiale estremamente sottile basato su ioni d'argento, applicato al materiale elettrolitico ceramico noto come LLZO (una combinazione di litio, lantanio, zirconio e ossigeno). A differenza di approcci precedenti che utilizzavano argento metallico, i ricercatori hanno impiegato argento ionico (Ag+), una forma carica positivamente ottenuta quando l'atomo perde un elettrone. Questa distinzione chimica si è rivelata cruciale: attraverso un processo di doping nanometrico, gli ioni d'argento sostituiscono selettivamente gli ioni di litio più piccoli nella struttura cristallina porosa dell'elettrolita, modificandone radicalmente le proprietà meccaniche.
La procedura sviluppata dal team prevede l'applicazione di uno strato d'argento di appena 3 nanometri di spessore sulla superficie dell'LLZO, seguito da un trattamento termico a 300 gradi Celsius. Durante il riscaldamento, gli atomi d'argento migrano all'interno della struttura superficiale dell'elettrolita, penetrando tra i 20 e i 50 nanometri sotto la superficie. L'aspetto fondamentale è che l'argento mantiene la sua forma ionica positiva anziché convertirsi in metallo, e questa configurazione elettronica risulta determinante nel prevenire la nucleazione e la propagazione delle microfratture.
Wendy Gu, professoressa associata di ingegneria meccanica a Stanford e autrice senior dello studio, spiega la sfida ingegneristica in termini chiari: "Gli elettroliti solidi su cui lavoriamo sono ceramiche che permettono agli ioni di litio di muoversi facilmente avanti e indietro, ma sono fragili. Su scala microscopica, non sono molto diverse dai piatti o dalle ciotole di ceramica che abbiamo in casa, con minuscole crepe sulle superfici". La ricercatrice sottolinea come eliminare ogni difetto durante la fabbricazione sia irrealistico ed economicamente insostenibile, rendendo necessario un approccio protettivo superficiale piuttosto che la perfezione strutturale assoluta.
Per quantificare l'efficacia del trattamento, il gruppo ha utilizzato sonde specializzate all'interno di un microscopio elettronico a scansione, misurando la forza necessaria per fratturare la superficie dell'elettrolita. I risultati hanno mostrato che il materiale trattato con argento richiede una pressione meccanica quasi quintupla rispetto ai campioni non trattati per iniziare a rompersi. Questo incremento di resistenza si traduce anche in una ridotta tendenza del litio metallico a infiltrarsi nelle imperfezioni superficiali esistenti, un fenomeno particolarmente dannoso durante la ricarica rapida, quando microlesioni possono amplificarsi in canali profondi che degradano permanentemente la batteria.
Xin Xu, che ha guidato la ricerca come studioso postdottorale a Stanford ed è ora professore assistente di ingegneria alla Arizona State University, evidenzia l'importanza metodologica del lavoro: "Il nostro studio dimostra che il doping nanometrico con argento può alterare fondamentalmente il modo in cui le crepe si formano e si propagano sulla superficie dell'elettrolita, producendo elettroliti solidi resistenti ai guasti per tecnologie di accumulo energetico di prossima generazione". Xu ha condotto la ricerca nel laboratorio del professor William Chueh, direttore del Precourt Institute for Energy, parte della Stanford Doerr School of Sustainability.
La ricerca si inserisce in un percorso investigativo più ampio. Tre anni fa, lo stesso gruppo di Stanford aveva pubblicato uno studio che rivelava i meccanismi di formazione e diffusione di microfratture, ammaccature e difetti superficiali negli elettroliti ceramici. Il nuovo lavoro rappresenta l'evoluzione logica di quella comprensione teorica verso una soluzione pratica applicabile. Il team ha anche iniziato a esplorare metalli alternativi all'argento: il rame ha mostrato risultati promettenti nei test preliminari, sebbene meno efficaci dell'argento. Il criterio guida è che gli ioni metallici utilizzati siano più grandi degli ioni di litio che vanno a sostituire nella struttura dell'elettrolita.
Le prospettive applicative si estendono oltre il litio. I ricercatori ritengono che strategie analoghe possano beneficiare le batterie al sodio, contribuendo a ridurre le pressioni sulle catene di approvvigionamento legate alla crescente domanda di litio. Il gruppo sta inoltre studiando elettroliti solidi alternativi, inclusi materiali a base di zolfo che potrebbero offrire maggiore stabilità chimica quando accoppiati con litio metallico. Tuttavia, il passaggio dalla dimostrazione scientifica alla commercializzazione rimane complesso: gli esperimenti finora si sono concentrati su aree localizzate piuttosto che su celle batteria complete, e resta da verificare se l'approccio basato sull'argento possa essere scalato a batterie di dimensioni reali, integrato con altri componenti e mantenere le prestazioni per migliaia di cicli di carica.
Il team sta attualmente lavorando con celle complete di batterie allo stato solido al litio metallico, esplorando come l'applicazione di pressione meccanica da diverse angolazioni possa estendere la durata della batteria. Altri autori senior dello studio, oltre a Gu e Chueh, includono Yue Qi, professore di ingegneria alla Brown University. Tra i co-autori principali figurano Teng Cui, ora professore assistente all'Università di Waterloo; Geoff McConohy, attualmente ingegnere di ricerca presso Orca Sciences; e Samuel S. Lee, dottorando a Stanford. Harsh Jagad, ex allievo della Brown University e ora chief technology officer di Metal Light, Inc., è anch'egli co-autore principale dello studio.
