Le batterie al litio metallico con elettroliti solidi sono una tecnologia promettente grazie alla loro natura leggera e non infiammabile, all’elevata densità energetica e alla capacità di ricarica rapida. Tuttavia, il loro sviluppo è stato ostacolato dal problema dei cortocircuiti e dei guasti. Gli scienziati della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory affermano di aver risolto questo mistero.
Le nuove batterie al litio metallico con elettroliti solidi sono leggere, infiammabili, contengono molta energia e possono essere ricaricate molto rapidamente, ma sono state lente a svilupparsi a causa di misteriosi cortocircuiti e guasti. Ora, i ricercatori di Università di Stanford e Laboratorio Nazionale Acceleratori SLAC dicono di aver risolto il mistero.
Si tratta di stress – stress meccanico per essere più precisi – specialmente durante una potente ricarica.
“Solo una modesta rientranza, flessione o torsione delle batterie può causare l’apertura di fessure nanoscopiche nei materiali e l’intrusione di litio nell’elettrolita solido causandone un cortocircuito”, ha spiegato l’autore senior William Chueh, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria a la School of Engineering, e di scienze energetiche e ingegneria nella nuova Stanford Doerr School of Sustainability.
“Anche la polvere o altre impurità introdotte nella produzione possono generare abbastanza stress da causare guasti”, ha affermato Chueh, che ha diretto la ricerca con Wendy Gu, assistente professore di ingegneria meccanica.
La resa di questo artista mostra una sonda che si piega a causa della pressione applicata, provocando una frattura nell’elettrolita solido, che si sta riempiendo di litio. A destra, la sonda non preme contro l’elettrolita e le piastre di litio sulla superficie ceramica, come desiderato. Credito: Cube3D
Il problema del fallimento degli elettroliti solidi non è nuovo e molti hanno studiato il fenomeno. Le teorie abbondano su quale sia esattamente la causa. Alcuni dicono che la colpa è del flusso involontario di elettroni, mentre altri indicano la chimica. Altri ancora teorizzano che siano in gioco forze diverse.
In uno studio pubblicato oggi (30 gennaio) sulla rivista Natura Energia, gli autori principali Geoff McConohy, Xin Xu e Teng Cui spiegano in esperimenti rigorosi e statisticamente significativi come i difetti su scala nanometrica e lo stress meccanico causino il fallimento degli elettroliti solidi. Gli scienziati di tutto il mondo che cercano di sviluppare nuove batterie ricaricabili a elettrolita solido possono progettare attorno al problema o addirittura trasformare la scoperta a proprio vantaggio, poiché gran parte di questo team di Stanford sta ora facendo ricerche. Le batterie al litio metallico ad alta densità energetica, a ricarica rapida e non infiammabili che durano a lungo potrebbero superare i principali ostacoli all’uso diffuso dei veicoli elettrici, tra numerosi altri vantaggi.
Significato statistico
Molti dei principali elettroliti solidi di oggi sono in ceramica. Consentono il trasporto rapido degli ioni di litio e separano fisicamente i due elettrodi che immagazzinano l’energia. Soprattutto, sono ignifughi. Ma, come la ceramica nelle nostre case, possono sviluppare minuscole crepe sulla loro superficie.
I ricercatori hanno dimostrato attraverso più di 60 esperimenti che la ceramica è spesso intrisa di crepe, ammaccature e fessure nanoscopiche, molte delle quali larghe meno di 20 nanometri. (Un foglio di carta ha uno spessore di circa 100.000 nanometri.) Durante la ricarica rapida, dicono Chueh e il team, queste fratture intrinseche si aprono, consentendo al litio di intromettersi.
Un video di microscopia elettronica a scansione che mostra la placcatura al litio mentre avviene su un elettrolita solido. Crediti: Xin Xu, Geoff McConohy e Wenfang Shi
In ogni esperimento, i ricercatori hanno applicato una sonda elettrica a un elettrolita solido, creando una batteria in miniatura, e hanno utilizzato un microscopio elettronico per osservare la ricarica rapida in tempo reale. Successivamente, hanno utilizzato un raggio ionico come bisturi per capire perché il litio si raccoglie sulla superficie della ceramica in alcuni punti, come desiderato, mentre in altri punti inizia a scavare, sempre più in profondità, fino a quando il litio fa da ponte attraverso l’elettrolita solido. , creando un cortocircuito.
La differenza è la pressione. Quando la sonda elettrica tocca semplicemente la superficie dell’elettrolita, il litio si raccoglie meravigliosamente sopra l’elettrolita anche quando la batteria viene caricata in meno di un minuto. Tuttavia, quando la sonda preme contro l’elettrolita ceramico, imitando le sollecitazioni meccaniche di indentazione, flessione e torsione, è più probabile che la batteria vada in cortocircuito.
Teoria in pratica
Una batteria a stato solido del mondo reale è composta da strati su strati di fogli catodo-elettrolita-anodo impilati uno sopra l’altro. Il ruolo dell’elettrolita è quello di separare fisicamente il catodo dall’anodo, consentendo allo stesso tempo agli ioni di litio di viaggiare liberamente tra i due. Se il catodo e l’anodo si toccano o sono collegati elettricamente in qualsiasi modo, come da un tunnel di litio metallico, si verifica un cortocircuito.
Come mostrano Chueh e il team, anche una leggera curvatura, una leggera torsione o un granello di polvere intrappolato tra l’elettrolita e l’anodo di litio causeranno fessure impercettibili.
“Data l’opportunità di scavare nell’elettrolita, il litio finirà per farsi strada attraverso, collegando il catodo e l’anodo”, ha detto McConohy, che ha completato il suo dottorato l’anno scorso lavorando nel laboratorio di Chueh e ora lavora nell’industria. “Quando ciò accade, la batteria si scarica.”
Co-autori principali del nuovo studio, da sinistra, Xin Yu, Teng Cui e Geoff McConohy seduti davanti al microscopio elettronico a fascio di ioni focalizzato/a scansione utilizzato per questa ricerca. Credito: Xin Xu
La nuova comprensione è stata dimostrata ripetutamente, hanno detto i ricercatori. Hanno registrato il video del processo utilizzando microscopi elettronici a scansione, gli stessi microscopi che non erano in grado di vedere le fessure nascenti nell’elettrolita puro non testato.
È un po’ come appare una buca su un marciapiede altrimenti perfetto, ha spiegato Xu. Attraverso la pioggia e la neve, le gomme delle auto martellano l’acqua nelle minuscole imperfezioni preesistenti della pavimentazione producendo crepe sempre più ampie che crescono nel tempo.
“Il litio è in realtà un materiale morbido, ma, come l’acqua nell’analogia della buca, tutto ciò che serve è la pressione per ampliare il divario e causare un fallimento”, ha detto Xu, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Chueh.
Con la loro nuova comprensione in mano, il team di Chueh sta cercando modi per utilizzare queste stesse forze meccaniche intenzionalmente per indurire il materiale durante la produzione, proprio come un fabbro tempra una lama durante la produzione. Stanno anche cercando modi per rivestire la superficie dell’elettrolita per prevenire crepe o ripararle se emergono.
“Questi miglioramenti iniziano tutti con una singola domanda: perché?”, Ha detto Cui, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Gu. “Siamo ingegneri. La cosa più importante che possiamo fare è scoprire perché sta accadendo qualcosa. Una volta che lo sappiamo, possiamo migliorare le cose”.
Riferimento: “Regolazione meccanica della probabilità di intrusione di litio negli elettroliti solidi di granato” 30 gennaio 2023, Natura Energia.
DOI: 10.1038/s41560-022-01186-4
Chueh è anche senior fellow presso il Precourt Institute for Energy di Stanford e uno scienziato di facoltà presso SLAC. I coautori dello studio non menzionati sopra sono gli studenti di dottorato di Stanford Edward Barks, Sunny Wang ed Emma Kaeli e la studiosa post-dottorato Celeste Melamed.
Finanziamento: Samsung Advanced Institute of Technology, Vehicle Technologies Office, Stanford StorageX Initiative
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