La presenza di PET e una reazione invisibile che avviene tra la superficie del catodo e l’elettrolita accelerano il degrado delle celle agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio non utilizzate tendono a perdere un po’ di carica nel tempo: si parla a tal proposito di “perdita permanente di capacità” o autoscarica, un fenomeno che accomuna tutte le batterie – da quelle di smartphone e computer ai grandi sistemi delle applicazioni industriali.

Ma perché le celle agli ioni di litio si scaricano da sole? Ci sono diversi fattori che contribuiscono al fenomeno, tra cui la temperatura, il voltaggio della cella e la presenza di PET. Ma c’entra anche l’idrogeno: un nuovo studio internazionale rivela un fattore invisibile, sconosciuto fino ad oggi, che accelera il degrado delle batterie. E non si tratta di atomi di litio.

Perché le celle agli ioni di litio si autoscaricano?

Le batterie agli ioni di litio, comunemente utilizzate per l’elettronica, le auto elettriche e diverse applicazioni industriali, hanno molti pregi: sono estremamente efficienti e hanno una densità di carica molto elevata, cosa che permette di realizzare batterie più leggere rispetto a quelle tradizionali. Inoltre, hanno un effetto memoria praticamente inesistente e un tasso di autoscarica molto basso: sono perciò in grado di durare molto di più di altre batterie, come per esempio quelle al nichel-cadmio.

Nonostante la misura contenuta del fenomeno, però, anche le batterie agli ioni di litio sono soggette all’autoscarica: quando non sono collegate ad alcun carico, le celle tendono a perdere un po’ di carica (pari a circa il 5% su base mensile).

Sappiamo che l’autoscarica avviene più rapidamente all’aumentare della temperatura e del voltaggio della cella, e proprio per questo motivo è raccomandato che le celle siano riposte a una temperatura di 25 °C o inferiore e quando dispongono del 30-50% di carica al massimo.

Nel 2023, uno studio canadese ha scoperto che la causa del fenomeno è legata non solo all’aumento della temperatura ma anche alla presenza di polietilene tereftalato (PET) all’interno del nastro utilizzato per fissare il jelly roll delle celle (l’insieme degli strati che costituiscono le batterie cilindriche, dalla caratteristica forma a spirale) e mantenerlo avvolto.

I ricercatori hanno scoperto che il PET contenuto nel nastro si decompone portando alla formazione della molecola responsabile dell’autoscarica, chiamata “navetta redox” perché fa la spola dal lato negativo a quello positivo dell’elettrodo senza soluzione di continuità – anche quando il litio non dovrebbe muoversi.

Il fattore invisibile dell’autoscarica: il nuovo studio

Quella portata alla luce dai ricercatori della Dalhousie University è un’indicazione cruciale per il futuro delle batterie agli ioni di litio: adesso sappiamo che per avere batterie che durano di più bisognerà trovare delle soluzioni alternative al PET.

Ma la lista dei fattori che accelerano il degrado delle batterie non è ancora finita: un team internazionale di scienziati ha infatti identificato un altro responsabile, questa volta completamente invisibile.

Come spiega Artūras Vailionis, visiting professor presso la Kaunas University of Technology (KTU) lituana, ancora oggi si ritiene che l’autoscarica di una batteria completamente carica sia dovuta alla diffusione degli atomi di litio dall’elettrolita al catodo della batteria:

“Tuttavia, il nostro studio ha dimostrato che è la diffusione dei protoni (ioni idrogeno) a causare l’autoscarica della batteria. Sulla base dei risultati di questa nuova ricerca è possibile proporre soluzioni per estendere la durata della batteria riducendo l’autoscarica”.

Queste possibili soluzioni possono includere l’aggiunta di additivi all’elettrolita che non contengono molecole di idrogeno, come il CH2, o l’utilizzo di un rivestimento speciale per ridurre la reazione della superficie del catodo con l’elettrolita.

L’autoscarica, si legge nello studio pubblicato su Science, “è causata dall’inserimento di protoni nel catodo carico, innescato dalla decomposizione dell’elettrolita”, cioè da un meccanismo basato su una reazione di idrogenazione superficiale, molto diverso dal modello ampiamente accettato che si basa sulla diffusione del litio dall’elettrolita al catodo.

Batterie più ecologiche, economiche e affidabili

La scoperta di fenomeni completamente nuovi alla base dell’autoscarica delle batterie potrebbe aprire la strada a una tecnologia più ecologica, economica e affidabile. Come spiega Vailionis, l’autoscarica accorcia sia la vita solare che quella ciclica della batteria e, nel tempo, provoca una diminuzione della tensione e della capacità.

Non va dimenticato, in questo contesto, che il degrado delle batterie al litio ha un impatto ambientale ed economico. Come spiega Vailionis, visiting professor al KTU:

“Una maggiore durata delle batterie agli ioni di litio significa che i consumatori devono cambiare le batterie o i dispositivi elettronici meno spesso. Inoltre, una maggiore durata delle batterie aiuta a ridurre la quantità di rifiuti elettronici e previene l’esaurimento delle risorse (il litio, il cobalto e il nichel sono risorse limitate), contribuendo così a pratiche più sostenibili”.

I vantaggi di batterie capaci di durare più a lungo sarebbero immediati: i dispositivi elettronici dovrebbero essere ricaricati meno spesso, e le applicazioni industriali con grandi sistemi di batterie potrebbero contare su tecnologie più economiche. Nei sistemi di energia rinnovabile, inoltre, una maggiore durata delle batterie aumenterebbe l’efficienza e l’affidabilità dell’accumulo di energia, contribuendo a stabilizzare l’approvvigionamento energetico e riducendo la dipendenza dai combustibili fossili.

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