Gli scienziati potrebbero avere una spiegazione per il motivo per cui alcune batterie non durano.

Le batterie al litio ricaricabili non durano per sempre. Nel tempo, tengono meno carica, trasformandosi alla fine da fonti di energia a mattoni. Una ragione: idrogeno nascosto e traboccante, secondo una nuova ricerca.

Protoni di idrogeno non desiderati riempiono gli spazi moleculari nell'estremità positiva della batteria lasciando meno spazio per gli atomi di litio caricati, o ioni, che mantengono la reattività e aiutano a condurre la carica, riferiscono gli scienziati il 12 settembre su Science.

La nuova ricerca identifica un insieme di reazioni chimiche indesiderabili che si verificano quando l'elettrolita della batteria, che dovrebbe trasportare ioni di litio, rilascia involontariamente idrogeno nell'estremità positiva, o catodo. Questo "triggera tutti i tipi di problemi" e riduce la capacità e la durata della batteria, dice Gang Wan, fisico dei materiali e chimico presso l'Università di Stanford. "Anche se non stai usando la batteria, perde energia."

In una batteria al litio-ion (illustrata di seguito), due elettrodi di cariche opposte, un anodo e un catodo, immagazzinano ioni di litio. Gli ioni si spostano dall'anodo al catodo in un elettrolita, che crea reazioni chimiche che liberano elettroni per creare una carica. L'elettrolita dovrebbe trasportare solo ioni di litio, ma i protoni dell'idrogeno e gli elettroni si staccano dagli ioni nell'elettrolita e fuoriescono nei livelli esterni del catodo, innescando una cascata di reazioni indesiderate che riducono la durata della batteria.

Spiegazioni passate sulla perdita di energia nelle batterie si sono concentrate sul movimento degli ioni di litio. Alcuni ricercatori hanno ipotizzato che anche gli atomi di idrogeno potrebbero giocare un ruolo, ma è stato difficile osservare perché l'idrogeno è così piccolo e ubiquo. Così, Wan e i suoi colleghi hanno scambiato l'idrogeno nell'elettrolita delle batterie delle dimensioni di una cella con deuterio, una variante più pesante dell'idrogeno. I ricercatori hanno quindi seguito il movimento del deuterio con imaging a raggi X ad alta potenza e spettrometria di massa. Utilizzando i risultati e calcoli teorici, il team ha dimostrato che l'idrogeno è il "giocatore dominante" nella perdita di carica del catodo.

La ricerca aumenta la nostra conoscenza della chimica opaca che avviene all'interno delle batterie, il che la rende "molto significativa", dice Bart Bartlett, chimico dei materiali e inorganico dell'Università del Michigan ad Ann Arbor che non ha partecipato allo studio. Sottolinea possibili percorsi per migliorare la durata della batteria, come regolare la chimica della batteria per evitare reazioni legate all'idrogeno.

Inoltre, il lavoro mette in evidenza un problema non riconosciuto nel continuo spingere per batterie a tensione sempre più alta, poiché gli ingegneri mirano a immagazzinare più energia in celle più piccole. I catodi ad alta tensione sono più reattivi e più inclini ad attrarre idrogeno, quindi maggiore è la tensione della batteria, più si verifica questa "protonazione" o "idrogenazione". "È un compromesso che non credo capissimo appieno di aver fatto, o non comprendevamo il motivo", dice Bartlett.

Ma, dice, gli scienziati hanno valutato solo un tipo di batteria e scenario. Sono necessarie ulteriori ricerche per capire in che misura le scoperte si applicano più ampiamente.

Se le osservazioni del team si dimostrassero replicabili, molto probabilmente porteranno a batterie migliori e più durature che accelerano innovazioni come veicoli elettrici a maggiore autonomia, dice Jacqueline Edge, ricercatrice e ingegnere delle batterie presso l'Imperial College di Londra. Contemporaneamente, i progressi nella durata della batteria ridurrebbero la nostra necessità di estrarre i minerali che vanno nelle celle delle batterie come il cobalto e, ovviamente, il litio, che comporta conseguenze ambientali e sociali negative. Potrebbe essere una doppia vittoria per la sostenibilità, dice.