Il modo migliore per preservare le batterie al litio-metallo di un'auto elettrica? Scaricarle e lasciarle riposare per alcune ore

I ricercatori dell'Università di Stanford sono giunti a questa conclusione mentre cercavano metodi per migliorare la durata del ciclo vitale delle batterie al litio-metallo, oggi meno diffuse rispetto alle più consuete batterie agli ioni di litio. "Abbiamo scoperto che lasciando riposare la batteria al litio-metallo mentre è scarica si ottiene un recupero della capacità persa nel corso del tempo, insieme alla possibilità di aumentare la longevità della batteria" si legge nello studio pubblicato il 7 febbraio su Nature.

Il litio-metallo è ancora scarsamente utilizzato rispetto alle comuni batterie agli ioni di litio perché perde rapidamente la capacità di immagazzinare energia dopo solo pochi cicli di carica e scarica. Questo rende queste batterie inutilizzabili nell'uso quotidiano, anche se potenzialmente potrebbero raddoppiare l’autonomia dei veicoli elettrici.

Una batteria convenzionale agli ioni di litio è costituita da due elettrodi – il catodo ospita un composto di litio, mentre l'anodo un composto tipicamente carbonioso, come la grafite – separati da un elettrolita liquido o solido che trasporta gli ioni di litio nelle due direzioni. In una batteria al litio-metallo, l'anodo di grafite viene sostituito con litio metallico elettrodeposto, che consente di immagazzinare il doppio dell'energia di una batteria agli ioni di litio nella stessa quantità di spazio. Inoltre, l’anodo al litio-metallo pesa meno dell’anodo in grafite, il che è essenziale per i veicoli elettrici.

Quando una batteria al litio-metallo si scarica, frammenti di litio metallico delle dimensioni di un micron vengono isolati e intrappolati nell'interfase dell'elettrolita solido (SEI, Solid Electrolyte Interphase), e questo rappresenta un grosso problema per la resa di questo tipo di batteria. Questa matrice spugnosa si forma nel punto in cui si incontrano l'anodo e l'elettrolita, mentre ripetuti cicli di carica e scarica provocano l'accumulo di ulteriore litio metallico non più utilizzabile perché non partecipa più a qualsiasi reazione elettrochimica.

Il processo causa una rapida perdita di capacità della batteria. Pertanto, un veicolo elettrico con batteria al litio-metallo perderebbe autonomia molto più velocemente rispetto a un veicolo elettrico alimentato con batteria agli ioni di litio. A meno che lo strato di interfase non venga in qualche modo "ripulito".

Precedenti ricerche a Stanford avevano portato alla luce che la matrice SEI inizia a dissolversi quando la batteria è inattiva. Sulla base di questa scoperta, i ricercatori hanno ora deciso di vedere cosa accade se la batteria viene lasciata riposare mentre è scarica. Quindi, hanno fatto in modo che la batteria fosse completamente scarica, in modo che non attraversasse corrente, e si sono resi conto che basta circa un'ora affinché il SEI si ripulisca.

Quando la batteria al litio-metallo viene ricaricata, il litio esaurito si ricollegherà all'anodo perché c'è meno massa solida nel percorso. La riconnessione con l’anodo riporta in vita il litio altrimenti inutilizzabile, consentendo alla batteria di generare più energia e prolungandone la sua durata.

Far "riposare" in questo modo le batterie al litio-metallo non sarebbe assolutamente un problema. Un tipico veicolo elettrico può avere 4 mila batterie disposte in moduli controllati da un sistema di gestione delle batterie. Dunque, il sistema di gestione potrebbe essere programmato in modo tale da scaricare completamente un singolo modulo di batterie al litio-metallo e assicurarsi che la sua capacità residua sia pari a zero. Dopo che la fase di "riposo" è conclusa, il modulo potrebbe essere riattivato dal software e un altro sottoposto alla scarica completa e alla momentanea disabilitazione.

Secondo i ricercatori questi miglioramenti, pertanto, possono essere applicati semplicemente riprogrammando il software di gestione della batteria, senza costi aggiuntivi o modifiche necessarie ai dispositivi già esistenti. Inoltre, i risultati dello studio potrebbero fornire alle case produttrici di veicoli elettrici degli spunti per ottimizzare i loro software e adattare la tecnologia del litio-metallo alle condizioni di guida del mondo reale.