La vera forma del litio

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio alimentano smartphone, veicoli elettrici e accumulatori di energia solare ed eolica, tra le altre tecnologie. Discende da un'altra tecnologia, la batteria al litio-metallo, che non è stata sviluppata o adottata in modo così ampio. C'è una ragione per questo: mentre le batterie al litio metallico hanno il potenziale per contenere circa il doppio dell'energia rispetto alle batterie agli ioni di litio, presentano anche un rischio molto maggiore di prendere fuoco o addirittura esplodere.

Ora, uno studio condotto dai membri del California NanoSystems Institute dell'UCLA (1) rivela una scoperta fondamentale che potrebbe portare a batterie al litio-metallo più sicure che superano le attuali batterie agli ioni di litio. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature (2).

Il litio metallico reagisce così facilmente con le sostanze chimiche che, in condizioni normali, la corrosione si forma quasi immediatamente mentre il metallo viene depositato su una superficie come un elettrodo. Ma gli investigatori dell'UCLA hanno sviluppato una tecnica che previene tale corrosione 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 nei giochi di ruolo come Dungeons and Dragons.

Il dottor Yuzhang Li (3), autore corrispondente dello studio, assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la UCLA Samueli School of Engineering e membro del CNSI, dice: «Ci sono migliaia di articoli sul litio metallico e la maggior parte delle descrizioni della struttura è qualitativa, come 'grosso' o 'simile a una colonna'. È stato sorprendente per noi scoprire che quando abbiamo impedito la corrosione superficiale, invece di queste forme mal definite, abbiamo visto un singolare poliedro che corrisponde alle previsioni teoriche basate sulla struttura cristallina del metallo. In definitiva, questo studio ci consente di rivedere il modo in cui intendiamo le batterie al litio-metallo».

Su scala minuscola, una batteria agli ioni di litio immagazzina atomi di litio caricati positivamente in una struttura di carbonio simile a una gabbia che riveste un elettrodo. Al contrario, una batteria al litio-metallo riveste invece l'elettrodo con litio metallico. Ciò racchiude 10 volte più litio nello stesso spazio rispetto alle batterie agli ioni di litio, il che spiega l'aumento sia delle prestazioni che del pericolo.

Il processo per la posa del rivestimento al litio si basa su una tecnica di oltre 200 anni che impiega 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, può causare un cortocircuito che potrebbe portare a un'esplosione.

La rivelazione della vera forma del litio, cioè in assenza di corrosione, suggerisce che il rischio di esplosione per le batterie litio-metallo può essere ridotto, perché gli atomi si accumulano in una forma ordinata anziché incrociarsi. La scoperta potrebbe anche avere implicazioni sostanziali per la tecnologia energetica ad alte prestazioni.

«Scienziati e ingegneri hanno prodotto oltre due decenni di ricerca sulla sintesi di metalli tra cui oro, platino e argento in forme come nanocubi, nanosfere e nanotubi», ha detto Li. «Ora che conosciamo la forma del litio, la domanda è: possiamo regolarlo in modo da formare cubi, che possono essere imballati densamente per aumentare sia la sicurezza che le prestazioni delle batterie?»

Fino ad ora, l'opinione prevalente era stata che la scelta degli elettroliti in soluzione determina la sagoma che il litio forma su una superficie, indipendentemente dal fatto che la struttura assomigli a blocchi o colonne. I ricercatori dell'UCLA avevano un'idea diversa.

«Volevamo vedere se potevamo depositare il litio così rapidamente da superare la reazione che causa il film di corrosione», ha detto la dottoressa Xintong Yuan dell'UCLA, la prima autrice dello studio. «In questo modo, potremmo potenzialmente vedere come il litio vuole crescere in assenza di quel film».

I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica per depositare il litio più velocemente delle forme di corrosione. Hanno fatto passare la corrente attraverso un elettrodo molto più piccolo per far uscire l'elettricità più velocemente, proprio come il modo in cui il blocco parziale dell'ugello di un tubo da giardino fa uscire l'acqua con più forza.

Era necessario un equilibrio, tuttavia, perché accelerare troppo il processo avrebbe portato alle stesse strutture appuntite che causano cortocircuiti; il team ha risolto il problema regolando la forma del loro minuscolo elettrodo.

Hanno steso il litio sulle superfici utilizzando quattro diversi elettroliti, confrontando i risultati tra una tecnica standard e il loro nuovo metodo. Con la corrosione, il litio ha formato quattro distinte forme microscopiche. Tuttavia, con il loro processo privo di corrosione, hanno scoperto che il litio formava minuscoli dodecaedri - non più grandi di 2 milionesimi di metro, o circa la lunghezza media di un singolo batterio - in tutti e quattro i casi.

I ricercatori sono stati in grado di vedere la forma del litio grazie a una tecnica di imaging chiamata microscopia crioelettronica, o cryo-EM, che trasmette elettroni attraverso campioni congelati per mostrare i dettagli fino al livello atomico, inibendo i danni ai campioni.

Cryo-EM è diventato onnipresente nelle bioscienze per determinare le strutture di proteine e virus. L'uso per la scienza dei materiali è in crescita e i ricercatori dell'UCLA hanno avuto due vantaggi chiave.

In primo luogo, quando il dottor Li era uno studente laureato, ha dimostrato che la crio-EM può essere utilizzata per analizzare il litio, che cade a pezzi se esposto a un fascio di elettroni a temperatura ambiente. (Il suo studio fu pubblicato nel 2017 sulla rivista Science (4)) In secondo luogo, il team ha eseguito esperimenti presso l'Electron Imaging Center for Nanomachines del CNSI (5), che ospita diversi strumenti cryo-EM che sono stati personalizzati per accogliere i tipi di campioni utilizzati nella ricerca sui materiali.

Riferimenti:

(1) California NanoSystems Institute

(2) Ultrafast deposition of faceted lithium polyhedra by outpacing SEI formation

(3) Yuzhang Li

(4) Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo–electron microscopy

(5) CNSI’s Electron Imaging Center for Nanomachines

Descrizione foto: I ricercatori dell'UCLA hanno sviluppato un modo per depositare il litio metallico su una superficie evitando uno strato di corrosione che di solito si forma. Senza quella corrosione, il metallo assume una forma mai vista prima, una minuscola figura a 12 facce. - Credit: Li Lab/UCLA.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: True shape of lithium revealed for the first time in UCLA research