Le attività di ricerca, sia in ambito industriale, sia in ambito accademico, incentrate sul miglioramento delle prestazioni delle batterie sono un filone molto interessante che enumera sempre molti adepti: nel corso degli ultimi anni da più parti sono emerse sperimentazioni e tentativi di sviluppo di metodi o tecnologie che promettono di estendere significativamente l'autonomia delle batterie ma che si arrestano ben prima dell'eventuale debutto commerciale per via di problemi di produzione su larga scala o di costi non sostenibili.
L'ultima novità, in questo panorama, è portata avanti da un team di ricercatori di Stanford coordinati da Yi Cui, professore di Ingegneria e Scienze dei Materiali, i quali hanno delineato un metodo che consentirebbe di migliorare l'efficienza energetica di una batteria impiegando il lito quale materiale costruttivo per l'anodo.
Le odierne batterie agli ioni di litio fanno infatti uso del lito nell'elettrolita, la soluzione liquida che circonda anondo e catodo. L'anodo è invece di norma realizzato in carbonio. Quando una batteria agli ioni di litio carica viene collegata ad un dispositivo gli elettroni viaggiano dall'anodo all'interno della circuiteria del dispositvo, fino al catodo della batteria. Durante la fase di carica, invece, gli elettroni viaggiano dal catodo all'anodo passando per l'elettrolita.
La ragione per cui viene usato un anodo in carbonio e non in litio è semplice: gli anodi di litio tendono ad espandersi in maniera incontrollata ed irregolare quando vengono a contatto con la loro soluzione elettrolitica formando inoltre i dendriti: piccolissimi cristalli ramificati che possono causare cortocircuiti, compromettendo la funzionalità dell'anodo e portando a conseguenze anche pericolose come un elevato surriscaldamento o esplosioni. In realtà tutti gli anodi di qualsiasi materiale sono soggetti a questo tipo di deformazione meccanica (espansione-contrazione) nelle fasi di carica e scarica, ma in maniera molto meno marcata e problematica.
Un anodo costituito di litio puro sarebbe però un balzo in avanti per l'efficienza di una batteria: "Di tutti i materiali che si possono usare per l'anodo, il litio sarebbe quello con il maggior potenziale. E' leggero ed ha la maggior densità di energia. Si può ottenere più energia per volume e peso, avendo quindi batterie più leggere, più piccole e con prestazioni più elevate" ha spiegato Cui.
Ciò che il gruppo di ricercatori ha pensato è l'impiego di una sorta di involucro di nanosfere di carbonio amorfo, che permette di isolare l'anodo dalla soluzione elettrolitica. Questa barriera permetterebbe di usare un anodo in litio e di caricare e scaricare la batteria senza rischio di dannosi effetti collaterali. Il carbonio amorfo è chimicamente stabile, robusto e flessibile e può quindi adattarsi liberamente alle normali contrazioni ed espansioni dell'anodo di litio durante il ciclo di carica-scarica.
L'impiego delle nanosfere va a migliorare il rapporto tra l'energia erogata quando viene usata la batteria e l'energia assorbita quando essa viene ricaricaa, altresì conosciuto con il nome di "efficienza di Coulomb". Una batteria commerciale deve avere un'efficienza di Coulomb del 99,9%, idealmente per quanti più cicli possibili. Precedenti sperimentazioni con gli anodi di litio non protetto hanno permesso di arrivare al 96% di efficienza, che scende a meno del 50% in appena 100 cicli. Il team di Stanford ha potuto raggiungere l'efficienza del 99% anche dopo 150 cicli.
"La differenza tra 99% e 96% è enorme, quando si parla di batterie. Sebbene non siamo ancora arrivati alla soglia del 99,9% siamo comunque molto vicini e questo è un miglioramento significativo rispetto a qualsiasi progetto precedente. Con qualche sforzo di progettazione in più e nuovi elettroliti crediamo di poter realizzare un anodo di litio stabile, che possa equipaggiare la prossima generazione di batterie ricaricabili" ha concluso Cui.
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