I ricercatori combattono la corrosione per rivelare per la prima volta la vera forma del litio

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Gli atomi di litio su una superficie formano naturalmente un dodecaedro rombico – una forma a 12 facce simile ai dadi d12 – quando sono protetti dalla corrosione. La scoperta potrebbe avere importanti conseguenze per lo sviluppo di batterie al litio metallico sicure, che finora sono state ostacolate da una crescita imprevedibile del litio che comporta rischi di incendio. La ricerca è pubblicata su Nature.

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio si trovano in quasi tutte le case e alimentano qualsiasi cosa, dagli smartphone ai veicoli elettrici. Sono inoltre ampiamente utilizzati per applicazioni di stoccaggio dell'energia industriale, come l'immagazzinamento dell'energia in eccesso prodotta dall'energia solare ed eolica nelle ore di punta.

Le batterie agli ioni di litio trattengono l’energia immagazzinando atomi di litio caricati positivamente in una struttura di carbonio simile a una gabbia che riveste un elettrodo. Ma prima che esistessero le batterie agli ioni di litio, esistevano le batterie al litio-metallo. Invece del carbonio, una batteria al litio-metallo riveste l’elettrodo con un sottile foglio di litio metallico puro. Questo piccolo cambiamento può contenere fino a 10 volte più litio nello stesso spazio rispetto alle batterie agli ioni di litio, con conseguente aumento significativo delle prestazioni.

Ma anche le batterie ricaricabili al litio-metallo sono molto più pericolose. Il litio metallico è altamente reattivo, al punto che la corrosione inizia quasi immediatamente durante la deposizione del metallo su un elettrodo. Ciò può far sì che gli atomi di litio formino punte e rami microscopici che, se entrano in contatto, possono provocare un cortocircuito.

L’inclusione dell’elettrolita in una batteria al litio-metallo influenzerà anche le forme che assumerà la superficie del litio, e questo è in parte il motivo per cui le batterie al litio-metallo sono ancora considerate sicure per l’uso in alcuni settori. Fino ad ora, l’opinione prevalente era che la scelta dell’elettrolita fosse un fattore importante nel determinare se il litio avrebbe formato forme grosse, appuntite o colonnari sulla superficie dell’elettrodo.

"Volevamo vedere se potevamo depositare il litio così velocemente da superare la reazione che causa la pellicola di corrosione", ha detto Xintong Yuan, dottorando dell'Università della California a Los Angeles (UCLA), il primo autore dello studio. “In questo modo, potremmo potenzialmente vedere come il litio vuole crescere in assenza di quella pellicola”.

I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica che deposita il litio più rapidamente rispetto ai metodi tradizionali. Facendo passare la corrente attraverso un elettrodo molto più piccolo, i ricercatori sono stati in grado di spingere efficacemente l’elettricità più velocemente e accelerare il processo di deposizione, in modo simile a come l’acqua spinta attraverso un tubo parzialmente ostruito uscirà con più forza.

Questa tecnica è stata utilizzata per depositare il litio metallico utilizzando quattro diversi elettroliti, con la forma dei depositi di litio analizzati utilizzando l'imaging al microscopio crioelettronico (crio-EM). Le forme osservate sono state confrontate con altri campioni realizzati in condizioni simili, ma utilizzando la tecnica di deposizione più tradizionale.

Si è scoperto che la nuova tecnica di deposizione ultraveloce è così veloce da superare la naturale corrosione del litio.

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Con la corrosione, il litio formava quattro distinte forme microscopiche. Ma utilizzando il processo ultraveloce privo di corrosione, il litio formava sempre forme dodecaedriche su microscala sulla superficie dell’elettrodo. I ricercatori affermano che ciò probabilmente riflette la “vera” forma del litio, nei casi in cui non è consentito corrodersi.

"Ci sono migliaia di articoli sul litio metallico e la maggior parte delle descrizioni della struttura sono qualitative, come 'grosso' o 'a colonna'", ha detto Yuzhang Li, autore corrispondente dello studio e assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Scuola di Ingegneria Samueli dell'UCLA.