Un elettrolita flessibile per batterie solide

Questa è una batteria: due elettrodi con polarità diverse e tra di essi un elettrolita, che permette il trasferimento di ioni (e disattiva la conducibilità elettronica) tra gli elettrodi e quindi la carica e la scarica della batteria. Nella maggior parte delle batterie, l'elettrolita è un liquido infiammabile. Le cosiddette batterie allo stato solido utilizzano invece una sostanza solida come elettrolita. Ciò non solo le rende più sicure, ma l'elettrolita solido consente anche di utilizzare materiali alternativi per gli elettrodi, come il litio metallico puro per l'anodo. Di conseguenza, le batterie allo stato solido possono potenzialmente raggiungere densità energetiche molto più elevate, cioè immagazzinare più elettricità per volume - un vantaggio per un'ampia gamma di applicazioni, dalle auto elettriche all'elettronica portatile.

Tuttavia, come spesso accade, questa promettente tecnologia presenta ancora alcuni "problemi iniziali" che rappresentano una sfida per la ricerca e l'industria. I ricercatori dell'Empa del Laboratory for Functional Polymers stanno lavorando a un nuovo elettrolita che potrebbe risolvere diversi problemi contemporaneamente. A differenza della maggior parte degli elettroliti per le batterie a stato solido, che sono fatti di materiali rigidi, il loro elettrolita solido è morbido ed estensibile.

Conduttore di ioni a base di silicone

Questa innovazione è il risultato di una chimica intelligente. Il polimero di partenza per l'elettrolita è un polisilossano, meglio conosciuto come silicone. Questo composto elastico ha un grosso svantaggio per la ricerca sulle batterie: Non è polare e quindi non è in grado di sciogliere le particelle cariche, gli ioni. I ricercatori guidati da Dorina Opris sono riusciti ad aggiungere gruppi funzionali alla "spina dorsale" del polimero, rendendolo un buon conduttore di ioni e mantenendo le sue vantaggiose proprietà elastiche.

L'elasticità è un punto di forza fondamentale dell'elettrolita polimerico. Le attuali batterie agli ioni di litio utilizzano un anodo a base di sali di litio. Utilizzando invece il litio metallico puro come materiale anodico si potrebbero raggiungere densità energetiche più elevate. Quando la batteria si scarica, gli ioni di litio "migrano" dall'anodo metallico; quando viene ricaricata, ritornano. Tuttavia, non si depositano in uno strato uniforme sulla superficie dell'anodo, ma formano i cosiddetti dendriti: strutture di litio simili ad alberi che possono "crescere" fino al catodo entro pochi cicli di carica e causare un cortocircuito.

L'uso di un elettrolita solido ostacola la crescita dei dendriti. Tuttavia, quando gli ioni si allontanano dall'anodo, lasciano dietro di sé degli spazi vuoti, che possono far perdere all'anodo il contatto con l'elettrolita e ridurre la capacità della batteria. È qui che l'elettrolita elastico sviluppato dai ricercatori dell'Empa prende due piccioni con una fava: È abbastanza solido da evitare le dendriti, ma abbastanza elastico da riempire i vuoti e compensare le variazioni di volume dell'anodo durante la carica e la scarica.

Verso batterie flessibili

Con i materiali elettrodici appropriati, l'elettrolita potrebbe essere utilizzato anche per produrre batterie flessibili. "Le attuali batterie per impianti medici, come i pacemaker, sono solitamente dure e scomode per i pazienti", spiega Dorina Opris. "Il nostro polimero può servire non solo come elettrolita, ma anche come materiale legante per il catodo". Il ricercatore dell'Empa Can Zimmerli aggiunge: "Il polimero flessibile può essere combinato con diversi materiali attivi per il catodo, consentendo di realizzare batterie per diverse applicazioni".

Flessibilità e sicurezza non sono gli unici vantaggi dell'innovativo elettrolita. "Il materiale può essere lavorato in film sottili di pochi micrometri di spessore ed è scalabile", afferma Opris. "Se prodotto su scala industriale, è anche più economico degli elettroliti polimerici solidi convenzionali". I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare ulteriormente la conducibilità ionica dell'elettrolita siliconico, e allo stesso tempo stanno cercando un partner industriale adatto per iniziare a commercializzare la tecnologia.