I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI hanno compiuto un passo avanti verso l'applicazione pratica delle batterie allo stato solido litio-metallo - la prossima generazione di batterie ricaricabili che immagazzinano più energia, sono più sicure e si ricaricano più velocemente delle batterie agli ioni di litio convenzionali.
Le batterie allo stato solido sono considerate una soluzione promettente per l'elettromobilità, l'elettronica mobile e l'accumulo di energia stazionaria, tra l'altro perché non richiedono elettroliti liquidi infiammabili e sono quindi fondamentalmente più sicure delle tradizionali batterie agli ioni di litio.
Da un lato, la formazione di dendriti di litio all'anodo rimane un punto critico - minuscole strutture metalliche simili ad aghi che penetrano nell'elettrolita solido che conduce gli ioni di litio tra gli elettrodi, si diffondono verso il catodo e infine causano cortocircuiti interni. D'altro canto, si verifica un'instabilità elettrochimica all'interfaccia tra l'anodo di litio-metallo e l'elettrolita solido, che influisce sulle prestazioni e sull'affidabilità a lungo termine della batteria.
Per superare questi due ostacoli, il team guidato da Mario El Kazzi, responsabile del gruppo Battery Materials and Diagnostics dell'Istituto Paul Scherrer PSI, ha sviluppato un nuovo processo di produzione: "Abbiamo combinato due approcci che insieme densificano l'elettrolita e stabilizzano l'interfaccia con il litio", spiega lo scienziato. Il team riferisce i risultati ottenuti sulla rivista scientifica Advanced Science.
Gli elettroliti sono componenti fondamentali nelle batterie ricaricabili, in quanto consentono il flusso di ioni tra l'anodo e il catodo. A differenza delle classiche batterie agli ioni di litio, le batterie allo stato solido hanno un elettrolita solido. Questo le rende doppiamente superiori: In primo luogo, non contengono componenti liquidi infiammabili, quindi sono molto più sicure da utilizzare. In secondo luogo, le batterie allo stato solido con un anodo sottile di litio-metallo promettono densità energetiche più elevate. Ciò potrebbe consentire alle auto elettriche, ad esempio, di raggiungere in futuro un'autonomia notevolmente superiore.
Il problema della compattazione
Lo studio del PSI si concentra sull'argyrodite di tipo Li₆PS₅Cl (LPSCl), un elettrolita solido a base di solfuro composto da litio, fosforo e zolfo. Il minerale ha un'elevata conducibilità degli ioni di litio, che consente un rapido trasporto degli ioni all'interno della batteria - un prerequisito essenziale per processi di carica efficienti e ad alte prestazioni. Ciò rende gli elettroliti a base di argirodite dei promettenti candidati per le batterie a stato solido. Tuttavia, finora non si è riusciti a compattare il materiale in modo sufficiente da non creare cavità in cui possano penetrare le dendriti di litio.
Finora i gruppi di ricerca hanno utilizzato due approcci per compattare l'elettrolita solido: O hanno pressato il materiale a temperatura ambiente sotto una pressione molto elevata o hanno utilizzato processi di pressatura a caldo che combinano la pressione con temperature superiori a 400 gradi Celsius. In quest'ultimo processo, noto come sinterizzazione classica, le particelle vengono fuse in una struttura più densa attraverso l'applicazione di calore e pressione.
Tuttavia, entrambi i metodi comportano effetti collaterali indesiderati: La pressatura a temperatura ambiente è inadeguata perché porta a una microstruttura porosa e a una crescita eccessiva dei grani. La lavorazione a temperature molto elevate, invece, comporta il rischio di decomposizione dell'elettrolita solido. Per ottenere un elettrolita robusto e un'interfaccia stabile, i ricercatori del PSI hanno quindi dovuto seguire un nuovo approccio.
Il trucco della temperatura
Per condensare l'argyrodite in un elettrolita omogeneo, El Kazzi e il suo team hanno incluso il fattore temperatura, ma in modo più cauto: Invece del classico processo di sinterizzazione, hanno scelto un approccio più delicato, in cui il minerale è stato pressato sotto una pressione moderata e a una temperatura moderata di soli 80 gradi Celsius circa. Questa sinterizzazione delicata ha portato al successo: il calore moderato e la pressione esercitata hanno fatto sì che le particelle si disponessero come desiderato senza modificare la stabilità chimica del materiale. Le particelle del minerale hanno formato legami stretti tra loro, le aree porose sono diventate più compatte e le piccole cavità si sono chiuse. Il risultato è una microstruttura compatta e densa, resistente alla penetrazione delle dendriti di litio. In questa forma, l'elettrolita solido è già ideale per il trasporto rapido degli ioni di litio.
Tuttavia, la sola sinterizzazione non era sufficiente. Per funzionare in modo affidabile anche a densità di corrente elevate, come quelle che si verificano durante la carica e la scarica rapida, la cella a stato solido ha richiesto un'ulteriore modifica. A tal fine, un sottile strato di 65 nanometri di fluoruro di litio (LiF) è stato vaporizzato sotto vuoto e applicato uniformemente sulla superficie del litio come pellicola ultrasottile - serve come strato di passivazione all'interfaccia tra l'anodo e l'elettrolita solido.
Questo strato intermedio svolge una duplice funzione: da un lato, impedisce la decomposizione elettrochimica dell'elettrolita solido a contatto con il litio e quindi sopprime la formazione di litio "morto", inattivo. Dall'altro, agisce come una barriera fisica che impedisce alle dendriti di litio di penetrare nell'elettrolita solido.
A destra: elettrolita solido denso e sinterizzato prodotto all'Istituto Paul Scherrer PSI con un rivestimento stabilizzante in fluoruro di litio (blu), che impedisce la penetrazione delle dendriti e protegge la superficie del litio. Istituto Paul Scherrer PSI/Jinsong Zhang
Valori ottimali dopo 1500 cicli
Nei test di laboratorio con le celle a bottone, la batteria ha mostrato prestazioni eccezionali in condizioni difficili. "La stabilità dei cicli ad alta tensione è stata notevole", spiega Jinsong Zhang, dottorando e autore principale dello studio. Dopo 1500 processi di carica e scarica, la cella ha mantenuto circa il 75% della sua capacità originale. Ciò significa che tre quarti degli ioni di litio viaggiavano ancora dal catodo all'anodo. "Un risultato eccezionale. Questi valori sono tra i migliori mai registrati". Zhang vede quindi una buona possibilità che le batterie allo stato solido possano presto superare le tradizionali batterie agli ioni di litio con elettrolita liquido in termini di densità energetica e durata.
El Kazzi e il suo team sono i primi a dimostrare che la combinazione di una leggera sinterizzazione dell'elettrolita solido e di un sottile strato di passivazione sull'anodo di litio sopprime efficacemente sia la formazione di dendriti che l'instabilità dell'interfaccia, due delle sfide più persistenti nelle batterie allo stato solido. Questa soluzione combinata segna un importante progresso nella ricerca sulle batterie allo stato solido, anche perché comporta vantaggi ambientali ed economici: Grazie alle basse temperature, il processo consente di risparmiare energia e quindi costi. "Il nostro approccio è una soluzione pratica per la produzione industriale di batterie allo stato solido a base di argirodite", afferma El Kazzi. "Ancora qualche aggiustamento e potremmo iniziare".
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Pubblicazione originale
Effetti sinergici della sinterizzazione dell'elettrolita solido e della passivazione superficiale del litio per migliorare il ciclo del litio metallico nelle batterie allo stato solido
Jinsong Zhang, Robin Wullich, Thomas J. Schmidt, Mario El Kazzi
Scienza avanzata, 08/01/2026
DOI: 10.1002/advs.202521791
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