Robustezza della batteria: capire come si verificano i cortocircuiti nelle batterie a stato solido potrebbe prolungarne la durata.
Batteria bici elettrica – foto illustrativa. Credito immagine: Tower Electric Bikes tramite Unsplash, licenza gratuita
Potrebbero essere la prossima generazione delle cosiddette batterie “a stato solido”. Sono realizzati interamente con materiali solidi e non hanno alcun mezzo liquido tra i loro poli, come fanno le batterie di oggi. Questi tipi di batterie potrebbero estendere l’autonomia delle auto elettriche e renderle più sicure, in quanto possono immagazzinare più elettricità e sono meno infiammabili.
Finora, tuttavia, hanno sofferto di vite limitate.
Un team del Max Planck Institute for Polymer Research ha studiato i processi che riducono la durata della vita. Le sue scoperte potrebbero aiutare a costruire batterie a stato solido più durature.
Le batterie a stato solido potrebbero offrire molti vantaggi in futuro, anche per l’uso in auto elettriche. Credito immagine: Xue Zhang/MPI per Polymer Research
Che si tratti di un’auto elettrica, di un telefono cellulare o di un avvitatore a batteria, le batterie ricaricabili vengono utilizzate in molti dispositivi. E man mano che i veicoli elettrici diventano più onnipresenti, la domanda aumenterà.
Occasionalmente, tuttavia, le batterie al litio comunemente utilizzate nelle auto elettriche e nei telefoni cellulari hanno preso fuoco inaspettatamente. Questo è il motivo per cui alcuni telefoni cellulari non sono ammessi a bordo degli aerei. Inoltre, le comuni batterie ricaricabili sono sensibili agli urti e agli urti.
Le batterie a stato solido, o accumulatori a stato solido come vengono anche chiamate, potrebbero porre rimedio a questo. Questi fanno a meno dell’elettrolita liquido che conduce la corrente tra i poli della batteria e lavorano invece con un materiale solido, ad esempio un conduttore di ioni ceramici contenente litio.
Questo li rende non infiammabili, meccanicamente robusti e insensibili alle fluttuazioni di temperatura. Inoltre, hanno una maggiore capacità di archiviazione e sono facili da miniaturizzare. Questo non solo li rende interessanti per l’uso nelle auto elettriche, ma anche per nuove applicazioni in cui sono richieste batterie particolarmente piccole, ad esempio nei microrobot.
Formazione di stalattiti e stalagmiti nella batteria?
In una batteria a stato solido, i dendriti di litio possono crescere solo da un lato dei poli della batteria, a differenza delle grotte di stalattiti e stalagmiti. Credito immagine: Pixabay / beba, licenza gratuita
Finora, tuttavia, la durata delle batterie allo stato solido al litio è stata piuttosto breve. Questo perché i dendriti di litio crescono tra i terminali positivo e negativo della batteria durante ogni processo di ricarica.
Queste formazioni metalliche ramificate, simili ad alberi, mettono in cortocircuito la batteria dopo alcuni cicli di carica e scarica. Non è stato a lungo chiaro come si formino esattamente i dendriti.
Ecco perché un team guidato da Rüdiger Berger, un gruppo di ricerca presso il Max Planck Institute for Polymer Research, ha ora studiato i processi utilizzando uno speciale metodo di microscopia.
I ricercatori erano principalmente interessati alla questione di dove si formano i dendriti di litio. Le stalattiti si formano su entrambi i poli, in modo simile al modo in cui le stalattiti crescono dal soffitto e le stalagmiti dal pavimento in una grotta calcarea, fino a quando non si incontrano nel mezzo? O i dendriti si formano solo su un polo? Ci sono forse posti speciali nella batteria che fungono da nuclei per la crescita dendritica?
Durante lo studio, il team di Rüdiger Berger ha prestato particolare attenzione ai bordi dei grani nell’elettrolita ceramico allo stato solido. Gli atomi qui si dispongono regolarmente allo stesso modo dei sali o dei metalli. Formano cristalli, non uno solo, tuttavia, ma molti piccoli grani di cristallo che sono leggermente sfalsati l’uno dall’altro provocando la formazione di bordi di grano tra di loro.
I ricercatori usano la microscopia a forza della sonda Kelvin in cui una punta affilata scansiona la superficie per visualizzare cosa succede ai bordi del grano durante la carica.
“Quando la batteria a stato solido è carica, la microscopia a forza della sonda Kelvin ci mostra che gli elettroni si accumulano lungo i bordi dei grani, specialmente vicino al polo negativo”, afferma Chao Zhu, uno studente di dottorato nel team di Rüdiger Berger.
I dendriti spuntano dagli accumuli di elettroni
Gli elettroni accumulati possono ridurre gli ioni di litio che viaggiano attraverso l’elettrolita solido al litio metallico. Ciò fa depositare il litio e si forma un dendrite di litio.
Ad ogni processo di carica, il dendrite continua a crescere fino a cortocircuitare definitivamente i poli. Poiché la densità elettronica aumenta principalmente al polo negativo, anche i dendriti hanno iniziato a crescere solo lì.
Sistema di accumulo e ricarica della batteria – foto illustrativa. Credito immagine: Henry & Co. tramite Unsplash, licenza gratuita
I ricercatori sperano che capire come crescono gli alberi metallici dannosi in una batteria a stato solido aiuterà a fermare o almeno a contenere la loro crescita.
Un punto di partenza, ad esempio, potrebbe essere la produzione dell’elettrolita allo stato solido: “Può essere utile rendere il percorso lungo i bordi del grano il più lungo possibile”, afferma Rüdiger Berger.
“Questo potrebbe essere fatto in modo simile a un muro di mattoni.” Per fare ciò, i grani cristallini dell’elettrolita dovrebbero essere cresciuti in modo da dare loro lati corti e lunghi come mattoni. Il lato più lungo dovrebbe quindi essere perpendicolare al percorso diretto tra gli elettrodi.
Finora, tuttavia, non è ancora chiaro se e come la formazione di cristalli negli elettroliti a stato solido possa essere controllata in questo modo e se la durata delle batterie a stato solido possa effettivamente essere estesa in questo modo. Questo dovrà essere indagato in ulteriori studi. In caso di successo, le batterie a stato solido avrebbero buone possibilità di sostituire le sensibili batterie al litio convenzionali.
Fonte: MPG
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
