Le batterie ricaricabili agli ioni di litio non durano per sempre. Nel tempo, mantengono meno carica, trasformandosi infine da fonti di energia a mattoni. Una ragione: l’idrogeno nascosto che perde, suggerisce una nuova ricerca.
I protoni di idrogeno indesiderati riempiono le fessure molecolari nell’estremità positiva della batteria lasciando meno spazio per gli atomi di litio carichi, o ioni, che mantengono la reattività e aiutano a condurre la carica, riferiscono gli scienziati il 12 settembre su Science.
La nuova ricerca identifica una serie di reazioni chimiche indesiderate che si svolgono quando l’elettrolita della batteria, che dovrebbe trasportare gli ioni di litio, rilascia inavvertitamente idrogeno nell’estremità positiva, o catodo. Questo “innesca tutti i tipi di problemi” e riduce la capacità e la durata della batteria, afferma Gang Wan, fisico dei materiali e chimico presso la Stanford University. “Anche se non si utilizza la batteria, questa perde energia”.
Anatomia di una batteria agli ioni di litio
In una batteria agli ioni di litio (illustrata di seguito), due elettrodi di carica opposta, un anodo e un catodo, immagazzinano gli ioni di litio. Gli ioni si spostano dall’anodo al catodo in un elettrolita, che crea reazioni chimiche che liberano gli elettroni per costruire una carica. L’elettrolita dovrebbe muovere solo gli ioni di litio, ma i protoni e gli elettroni dell’idrogeno si staccano dalle molecole nell’elettrolita e fuoriescono negli strati esterni del catodo, innescando una cascata di reazioni indesiderate che riducono la durata della batteria.
Le spiegazioni passate della perdita di energia nelle batterie si sono concentrate sul movimento degli ioni di litio. Alcuni ricercatori hanno ipotizzato che anche gli atomi di idrogeno potrebbero svolgere un ruolo, ma è stato difficile da osservare perché l’idrogeno è così piccolo e onnipresente. Così, Wan e i suoi colleghi hanno scambiato l’idrogeno nell’elettrolita delle batterie delle dimensioni di una cella con il deuterio, una variante più pesante dell’idrogeno. I ricercatori hanno quindi tracciato il movimento del deuterio con l’imaging a raggi X ad alta potenza e la spettrometria di massa. Utilizzando i risultati e i calcoli teorici, il team ha dimostrato che l’idrogeno è l’attore “dominante” nella perdita di carica catodica.
La ricerca aumenta la nostra conoscenza della chimica opaca che si dispiega all’interno delle batterie, il che la rende “davvero significativa”, afferma Bart Bartlett, chimico dei materiali e inorganico presso l’Università del Michigan ad Ann Arbor, che non è stato coinvolto nello studio. Suggerisce possibili percorsi per migliorare la durata della batteria, come la regolazione della chimica della batteria per evitare reazioni all’idrogeno.
Inoltre, il lavoro evidenzia un problema non riconosciuto nella continua spinta per batterie sempre più ad alta tensione, poiché gli ingegneri mirano a trattenere più energia in celle più piccole. I catodi a tensione più elevata sono più reattivi e hanno maggiori probabilità di attirare l’idrogeno, quindi maggiore è la tensione della batteria, più avviene questa “protonazione” o “idrogenazione”. “È un compromesso che non credo abbiamo pienamente apprezzato di aver fatto, o non abbiamo capito perché”, dice Bartlett.
Ma, dice, gli scienziati hanno valutato solo un tipo di batteria e uno scenario. Sono necessarie ulteriori ricerche per capire quanto ampiamente si applichino i risultati.
Se le osservazioni del team si dimostreranno replicabili, molto probabilmente porteranno a batterie migliori e più durature che accelerano le innovazioni come i veicoli elettrici a più lungo raggio, afferma Jacqueline Edge, ricercatrice e ingegnere presso l’Imperial College di Londra. Allo stesso tempo, i progressi nella durata delle batterie ridurrebbero al minimo la nostra necessità di estrarre i minerali che entrano nelle celle delle batterie come il cobalto e, naturalmente, il litio, che comporta conseguenze ambientali e sociali negative (SN: 5/7/19). Potrebbe essere una doppia vittoria in termini di sostenibilità, dice.
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Una versione di questo articolo è apparsa nel numero del 19 ottobre 2024 di Science News.
Citazioni
G. Wan et al. Idrogenazione di ossidi mediata da solvente in catodi stratificati. Scienza. Vol. 385, 13 settembre 2024, p. 1230. DOI: 10.1126/science.adg4687.
R. Benedek, M.M. Thackeray e A. van de Walle. Energia libera per la reazione di protonazione nei materiali catodici delle batterie agli ioni di litio. Chimica dei Materiali. Vol. 20, 9 settembre 2008, p. 5485. DOI: 10.1021/cm703042R.