I ricercatori del California NanoSystems Institute dell’Ucla sono riusciti a svelare per la prima volta, quella che è la reale forma del litio. Lo studio è stato pubblicato oggi sulla rivista Nature ed esamina la modalità con cui gli esperti sono riusciti a depositare il litio metallico su una determinata superficie, riuscendo a prevenire l’insorgere dello strato di corrosione che di solito si forma. Privato di questo strato corrosivo, il metallo assume una forma mai vista prima, una minuscola figura a 12 facce.
Questa ricerca potrebbe permettere in futuro di realizzare delle batterie al litio-metallo più sicure rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Tra le varie tecnologie, le batterie ricaricabili a litio alimentano gli smartphone, i veicoli elettrici e lo stoccaggio di energia solare ed eolica e discendono da un’altra tecnologia, la batteria al litio-metallo, che non ha avuto ampia applicazione come quelle ricaricabili. Infatti, se da un lato le batterie al litio-metallo hanno il potenziale di contenere circa il doppio dell’energia rispetto alle quelle a ioni di litio, dall’altro presentano un rischio molto maggiore di infiammarsi o addirittura esplodere.
La vera forma del litio metallico
Il litio metallico reagisce così facilmente con le sostanze chimiche che, in condizioni normali, la corrosione si forma quasi immediatamente, nel momento in cui il metallo viene depositato su una superficie, come un elettrodo. Tuttavia, gli scienziati dell’Ucla hanno progettato una tecnica che impedisce il logoramento e hanno dimostrato che, in sua assenza, gli atomi di litio si assemblano in una forma sorprendente: il dodecaedro rombico, una figura a 12 facce, simile ai dadi usati in giochi di ruolo come Dungeons and Dragons.
“Ci sono migliaia di articoli sul litio metallico, e la maggior parte delle descrizioni della struttura è qualitativa, come grosso o a colonna – ha detto Yuzhang Li, autore corrispondente dello studio, professore assistente di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Ucla Samueli School of Engineering e membro del Cnsi – è stato sorprendente per noi vedere, quando abbiamo impedito la corrosione superficiale, invece di queste forme mal definite, un poliedro singolare che corrisponde alle previsioni teoriche basate sulla struttura cristallina del metallo. In definitiva, questo studio ci permette di rivedere il nostro modo di intendere le batterie al litio-metallo“.
La batteria agli ioni di litio e la batteria al litio-metallo
Su scala ridotta, una batteria agli ioni di litio immagazzina atomi di litio con carica positiva in una struttura di carbonio, simile a una gabbia che ricopre un elettrodo. Una batteria al litio-metallo, invece, riveste l’elettrodo con litio metallico. In questo modo, nello stesso spazio, c’è una quantità di litio dieci volte superiore rispetto alle batterie agli ioni di litio, che spiega l’aumento delle prestazioni e della pericolosità.
Il processo di deposizione del rivestimento di litio è resa possibile da una tecnica, vecchia oltre duecento anni, che impiega l’elettricità e soluzioni di sali, chiamate elettroliti. Spesso il litio forma microscopici filamenti ramificati con punte sporgenti. In una batteria, se due di questi picchi si incrociano, possono causare un cortocircuito che potrebbe generare un’esplosione. La rivelazione della vera forma del litio, cioè in assenza di corrosione, suggerisce che il rischio di esplosione per le batterie al litio-metallo può essere ridotto, perché gli atomi si accumulano in una forma ordinata invece che in una che può incrociarsi. La scoperta potrebbe anche avere implicazioni sostanziali per la tecnologia energetica ad alte prestazioni.
Sarà possibile impacchettare il litio in futuro?
“Scienziati e ingegneri hanno condotto oltre due decenni di ricerche per sintetizzare metalli come l’oro, il platino e l’argento in forme come nanocubi, nanosfere e nanorods – ha dichiarato Li – ora che conosciamo la forma del litio, la domanda è: possiamo sintonizzarlo in modo che formi dei cubi, che possono essere impacchettati densamente per aumentare sia la sicurezza che le prestazioni delle batterie?“. Fino ad oggi, gli esperti erano convinti che la scelta degli elettroliti in soluzione determinasse la forma del litio su una superficie, in quanto si credeva che la struttura assomigliasse a pezzi o a colonne. Ma i ricercatori dell’Ucla hanno avuto un’intuizione diversa.
“Volevamo vedere se potevamo depositare il litio così velocemente da superare la reazione che causa la pellicola di corrosione – ha affermato Xintong Yuan, dottorando dell’Ucla e primo autore dello studio – in questo modo, potremmo potenzialmente vedere come il litio vuole crescere in assenza di quella pellicola”. I ricercatori sono riusciti a realizzare una nuova tecnica per depositare il litio prima che si verifichino le forme di corrosione: hanno fatto passare la corrente attraverso un elettrodo molto più piccolo per far uscire l’elettricità più velocemente.
