I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia sono stati i primi ad usarlo riflettometria neutronica per sbirciare all’interno di un lavoro stato solido batteria e monitorarne l’elettrochimica. Hanno scoperto che le sue eccellenti prestazioni derivano da uno strato estremamente sottile, attraverso il quale gli atomi di litio carichi fluiscono rapidamente mentre si spostano dall’anodo al catodo e si fondono in un elettrolita solido.
In una batteria a stato solido, il litio metallico reattivo (blu) può coesistere stabilmente con un elettrolita solido chiamato LiPON (giallo) quando si forma un’interfase (verde), spessa circa 70 atomi. Immagine di credito: Jill Hemman/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
“Vogliamo batterie migliori”, ha detto Andrew Westover di ORNL, che ha co-diretto uno studio pubblicato in Lettere sull’energia ACS con James Browning alla Spallation Neutron Source del laboratorio. “Ciò significa maggiore densità energetica, costi inferiori, ricarica della batteria più rapida e sicura e maggiore durata”.
Le batterie ricaricabili si basano sul litio, un piccolo atomo di metallo che si impacchetta saldamente nell’anodo caricato negativamente per massimizzare la densità di energia. Tuttavia, il litio è instabile con la maggior parte degli elettroliti, un fattore di infiammabilità delle batterie di smartphone, laptop e veicoli elettrici che utilizzano elettroliti liquidi.
“Per risolvere il problema dell’infiammabilità, vogliamo passare agli elettroliti solidi”, ha affermato Westover.
Inserisci l’ossinitruro di fosforo di litio, o LiPON, un elettrolita solido inventato all’ORNL quasi 30 anni fa. “Non è mai stato capito perché funziona davvero bene”, ha detto Westover. “Vogliamo che ciò che funziona con LiPON funzioni su una scala molto più ampia. Ma prima dobbiamo capirlo”.
Il lavoro precedente ha dimostrato che l’interfase elettrolitica solida, o SEI, uno strato che si forma per proteggere e stabilizzare la batteria a stato solido, è la chiave della sua capacità di caricarsi e scaricarsi ripetutamente. In questo caso, l’interfase è un gradiente chimico costituito da uno strato ricco di litio il cui contenuto di litio diminuisce man mano che si fonde con il LiPON puro.
“In una batteria normale, si forma un’interfase tra l’elettrolita e l’elettrodo di lavoro”, ha detto Browning. “Nel corso del tempo mentre si fa funzionare una batteria, caricandola e scaricandola, quel materiale può cambiare in composizione e spessore”.
“Se hai un buon SEI, la tua batteria funziona. Se hai un cattivo SEI, non è così”, ha detto Westover. “Il motivo per cui la capacità della batteria del tuo cellulare diminuisce lentamente anno dopo anno è perché il tuo SEI si sta espandendo e sta consumando il tuo elettrolita nella batteria a base liquida.”
In una batteria a stato solido basata su LiPON, tuttavia, si forma un sottile strato SEI per passivare il litio, rendendolo non reattivo e non cresce come il SEI in una batteria tradizionale.
Gli scienziati hanno unito la riflettometria dei neutroni all’elettrochimica per misurare per la prima volta questa interfase stabile tra LiPON e litio. Era sottile quanto 7 nanometri. “Abbiamo scoperto con questo studio che lo strato formato è spesso circa 70 atomi”, ha detto Westover. “Questo lavoro dimostra che è possibile realizzare interfacce in batterie a stato solido che sono sottili e forniscono prestazioni eccellenti”.
Quella piccola scala più lo stato solido dei materiali ha spinto i ricercatori a usare i neutroni per guardare all’interno della batteria. “Prima della scoperta dei raggi X, non si poteva guardare sotto la pelle per vedere le ossa all’interno di un corpo. Dovevi tagliare la pelle aperta “, ha detto Westover. “Fino ad ora, questo è stato fondamentalmente l’approccio che la maggior parte delle persone ha utilizzato per osservare le interfasi nelle batterie. In questo caso la scala è troppo piccola per aprire qualcosa. Avevamo bisogno di uno strumento che ci permettesse di esaminare il materiale, di sondarlo in modo non distruttivo su quella scala e capire cosa sta succedendo all’interfase. È qui che è entrata in gioco la riflettometria a neutroni”.
Browning ha aggiunto: “Siamo interessati alle prestazioni di una batteria, quindi abbiamo bisogno di un modo per guardarci dentro mentre fa il suo dovere, operando su una scala di lunghezza che è importante per il funzionamento del dispositivo, per esplorare la stabilità, a lungo termine cyclability, ecc. Poiché i neutroni interagiscono debolmente, possiamo portarli al punto che vogliamo sondare senza alcuna interferenza e quindi, cosa più importante, riportarli indietro in modo da poter determinare cosa è successo nel luogo di interesse – l’interfase in questo caso.”
L’accoppiamento della riflettometria dei neutroni con l’elettrochimica ha accelerato la comprensione dell’interfase tra il litio metallico e gli elettroliti solidi nelle batterie allo stato solido.
“Questa combinazione di tecniche ci apre la porta per esaminare l’intero spettro di materiali elettrolitici a stato solido e determinare quali consentiranno la ricarica rapida e le batterie ad alta energia”, ha affermato Westover. “Abbiamo già avviato la versione 2.0, in cui stiamo osservando un diverso tipo di elettroliti solidi e iniziando a capire che aspetto hanno”.
Ha aggiunto: “Devono essere inventati nuovi materiali che abbiano questa stabilità”. La progettazione delle future batterie ad alte prestazioni dipenderà da questo.
Il titolo dell’articolo è “IOn Situ Misurazione delle interfacce sepolte elettrolita-elettrodo per batterie a stato solido con precisione a livello di nanometri.
Il lavoro è stato finanziato dall’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy for the Vehicle Technologies Office del DOE. Questa ricerca ha utilizzato risorse presso SNS, una struttura per utenti del DOE Office of Science gestita da ORNL.
UT-Battelle gestisce ORNL per l’Office of Science del DOE, il singolo più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita energy.gov/scienza.
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