Negli elettroliti delle batterie gli ioni di litio formano cluster

Per molto tempo, gli scienziati delle batterie hanno ritenuto che gli ioni di litio si muovessero nel liquido all'interno della cella quasi da soli. Un team della Columbia University riferisce ora che spesso non è così. In uno studio pubblicato su Nature, i ricercatori hanno scoperto che fino al 40% degli ioni di litio negli elettroliti standard si raggruppa in cluster multi-ione, e che il raggruppamento aumenta con la concentrazione di sale.

L'elettrolita è il liquido che trasporta gli ioni di litio tra gli elettrodi di una batteria. Inoltre guida la formazione della solid electrolyte interphase, una sottile pellicola protettiva sull'anodo che determina sia la durata sia la sicurezza della batteria. Fino ad ora, la struttura a livello atomico alla base di questa pellicola era difficile da definire. Lo studio è stato coordinato da Richard Friesner, del Dipartimento di Chimica della Columbia, insieme ad Alexander Urban, Lauren Marbella e Daniel Steingart, della School of Engineering and Applied Science. Le simulazioni si sono basate sulla tecnologia di campo di forze basata sull'apprendimento automatico fornita da Schrödinger Inc., con il sostegno del New York Structural Biology Center.

Le simulazioni hanno mostrato che gli ioni di litio si addensano anche in assenza di anioni, gli ioni carichi negativamente che si riteneva fossero necessari per questi raggruppamenti. I calcoli di chimica quantistica indicano che questi cluster multi-litio sono insolitamente facili da ridurre, il che significa che accettano facilmente elettroni. Ciò li rende probabili candidati per le fasi intermedie che costruiscono la pellicola protettiva, che i ricercatori descrivono come fondamentale per la durata e la sicurezza.

Le simulazioni sono solo metà del lavoro. La scuola di ingegneria della Columbia ha condotto esperimenti e il team riferisce che le sue simulazioni di apprendimento automatico hanno mostrato una forte concordanza con un'ampia gamma di dati sperimentali su sistemi in fase condensata. Friesner ha sottolineato che confermare in laboratorio la chimica prevista è stato estremamente difficile. Si tratta di un risultato di laboratorio, che non è ancora stato trasformato in un elettrolita commerciale.

Per i chimici delle batterie che progettano elettroliti di nuova generazione, i cluster offrono un obiettivo concreto: un modello di ciò che accade a livello atomico, che secondo gli autori può guidare il lavoro su prestazioni, stabilità e velocità di ricarica. Il team afferma che queste conoscenze potrebbero portare a batterie con maggiore capacità, ricarica più rapida e durata più lunga, ma non indica quando questo potrebbe tradursi in un prodotto. Friesner sostiene inoltre che la stessa combinazione di simulazione ed esperimento potrebbe essere utile anche in biologia e nella scienza dei materiali in senso più ampio.