Prevenzione di pericolosi cortocircuiti nelle batterie al litio
I ricercatori rivelano la sorprendente crescita di dendriti distruttivi negli elettroliti
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I dendriti sono considerati i più pericolosi distruttori delle batterie al litio: minuscole strutture metalliche che possono causare cortocircuiti. Nel peggiore dei casi, possono causare la combustione o l'esplosione delle batterie. Un team di ricerca dell'Università Tecnica di Monaco (TUM) ha ora scoperto che tali strutture possono formarsi non solo sugli elettrodi, ma anche negli elettroliti a base di polimeri. Questa nuova scoperta è fondamentale per la stabilità delle future batterie allo stato solido.
Le batterie al litio-metallo sono tra le tecnologie più promettenti per l'accumulo di energia. Offrono una quantità di energia significativamente maggiore in meno spazio - e con un peso inferiore. Tuttavia, un fenomeno ne rallenta lo sviluppo: piccole strutture metalliche simili ad aghi, chiamate dendriti, fatte di litio. Possono crescere in modo incontrollato all'interno della batteria e causare devastanti cortocircuiti. Finora, gli elettroliti solidi, compresi quelli a base di polimeri, sono stati considerati un modo per sopprimere questa crescita.
"Gli elettroliti sono responsabili del trasporto degli ioni di litio avanti e indietro tra i due elettrodi della batteria, rendendo possibile il flusso di corrente", spiega Fabian Apfelbeck. Il fisico sta svolgendo il suo dottorato nel gruppo di ricerca del Prof. Peter Müller-Buschbaum presso la cattedra di materiali funzionali della TUM ed è finanziato dal cluster di eccellenza e-conversion.
Gli elettroliti a base di polimeri offrono maggiore stabilità e sicurezza rispetto agli elettroliti liquidi, perché non possono perdere o incendiarsi. Inoltre, separano in modo affidabile gli elettrodi l'uno dall'altro, evitando così i cortocircuiti. "Tuttavia, le nostre misurazioni dimostrano che la crescita dei dendriti può avvenire anche direttamente all'interno dell'elettrolita polimerico, proprio nel materiale che dovrebbe proteggere dai dendriti", spiega Fabian Apfelbeck, primo autore dello studio pubblicato su Nature Communications.
Usare un nanofocus per guardare all'interno della batteria
I risultati mettono quindi in discussione un assunto centrale nella ricerca sulle batterie. Il Prof. Peter Müller-Buschbaum spiega: "Finora si pensava che la crescita dei dendriti avvenisse solo all'interfaccia tra elettrodo ed elettrolita. Il fatto che si manifesti anche lontano da tale interfaccia ci ha sorpreso. Questa nuova conoscenza ci aiuta a sviluppare - e migliorare ulteriormente - materiali in cui non si verificano questi processi di cristallizzazione interna, consentendo un accumulo di energia più efficiente, sicuro e duraturo".
Per le loro indagini, i ricercatori hanno utilizzato un metodo particolarmente preciso: i cosiddetti esperimenti di scattering di raggi X grandangolari nanofocalizzati, condotti presso il sincrotrone elettronico tedesco DESY di Amburgo. Utilizzando un fascio di raggi X con un diametro di soli 350 nanometri, hanno potuto visualizzare per la prima volta i cambiamenti microscopici all'interno di un elettrolita a base di polimeri durante il funzionamento della batteria. Per farlo, hanno utilizzato una cella in miniatura appositamente sviluppata che consente di osservare la batteria in condizioni operative reali.
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Pubblicazione originale
Fabian A. C. Apfelbeck, Gilles E. Wittmann, Morgan P. Le Dû, Lyuyang Cheng, Yuxin Liang, Yingying Yan, Anton Davydok, Christina Krywka, Peter Müller-Buschbaum; "Local crystallization inside the polymer electrolyte for lithium metal batteries observed by operando nanofocus WAXS"; Nature Communications, Volume 16, 2025-10-8
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