Come corsi attuali attraverso a batteria, i suoi materiali si erodono nel tempo. Influenze meccaniche come stress e tensione influenzano questa traiettoria, sebbene il loro impatto sull’efficacia e sulla longevità della batteria non sia completamente compreso.
L’immagine concettualizza la lavorazione, la struttura e il comportamento meccanico dei conduttori ionici vetrosi per batterie al litio a stato solido. Crediti: Adam Malin/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
Un team guidato da ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia ha sviluppato un quadro per la progettazione di batterie a stato solido, o SSB, pensando alla meccanica. Il loro giornalepubblicato in Scienzahanno esaminato come questi fattori modificano gli SSB durante il loro ciclo.
“Il nostro obiettivo è evidenziare l’importanza della meccanica nelle prestazioni della batteria”, ha affermato Sergiy Kalnaus, uno scienziato del gruppo Multifisica e flussi di modellazione dell’ORNL. “Molti studi si sono concentrati sulle proprietà chimiche o elettriche, ma hanno trascurato di mostrare i meccanismi sottostanti”.
Il team abbraccia diverse aree di ricerca dell’ORNL, tra cui informatica, chimica e scienza dei materiali. Insieme, la loro revisione ha dipinto un quadro più coerente delle condizioni che colpiscono gli SSB utilizzando prospettive provenienti da tutto lo spettro scientifico. “Stiamo cercando di colmare il divario tra le discipline”, ha detto Kalnaus.
In batterie, le particelle cariche fluiscono attraverso materiali noti come elettroliti. La maggior parte sono liquidi, come nelle batterie agli ioni di litio presenti nelle auto elettriche, ma si stanno sviluppando anche elettroliti solidi. Questi conduttori sono generalmente realizzati in vetro o ceramica e potrebbero offrire vantaggi come maggiore sicurezza e resistenza.
“Le vere batterie allo stato solido non contengono liquidi infiammabili all’interno”, ha affermato Kalnaus. “Ciò significa che sarebbero meno pericolose delle batterie comunemente usate oggi”.
Tuttavia, gli elettroliti solidi sono ancora nelle fasi iniziali di sviluppo a causa delle sfide associate a questi nuovi materiali. I componenti SSB si gonfiano e si restringono durante il trasporto di carica e di massa, alterando il sistema. “Gli elettrodi si deformano costantemente durante il funzionamento della batteria, creando delaminazione e vuoti nelle interfacce con l’elettrolita solido”, ha affermato Kalnaus. “Nei sistemi odierni, la soluzione migliore è applicare una grande pressione per tenere tutto insieme.”
Questi cambiamenti dimensionali danneggiano gli elettroliti solidi, che sono costituiti da materiali fragili. Spesso si rompono in risposta allo sforzo e alla pressione. Rendere questi materiali più duttili consentirebbe loro di resistere allo stress scorrendo invece di rompersi. Questo comportamento può essere ottenuto con alcune tecniche che introducono piccoli difetti cristallini negli elettroliti ceramici.
Gli elettroni lasciano un sistema attraverso gli anodi. Negli SSB, questo componente può essere costituito da litio puro, che è il metallo più denso di energia. Sebbene questo materiale offra vantaggi in termini di potenza della batteria, crea anche una pressione che può danneggiare gli elettroliti.
“Durante la ricarica, la placcatura non uniforme e l’assenza di meccanismi di riduzione dello stress possono creare concentrazioni di stress. Questi possono supportare grandi quantità di pressione, consentendo il flusso di litio metallico”, ha affermato Erik Herbert, leader del gruppo Proprietà meccaniche e meccanica dell’ORNL. “Per ottimizzare le prestazioni e la longevità degli SSB, dobbiamo progettare la prossima generazione di anodi ed elettroliti solidi in grado di mantenere interfacce meccanicamente stabili senza fratturare il separatore di elettroliti solidi”.
Il lavoro del team fa parte della lunga storia dell’ORNL nella ricerca di materiali per gli SSB. All’inizio degli anni ’90, in laboratorio è stato sviluppato un elettrolita vetroso noto come ossinitruro di litio e fosforo, o LiPON. LiPON è diventato ampiamente utilizzato come elettrolita nelle batterie a film sottile dotate di anodo di litio metallico. Questo componente può sopportare molti cicli di carica-scarica senza guasti, in gran parte grazie alla duttilità del LiPON. Quando incontra fattori di stress meccanici, scorre invece di rompersi.
“Negli ultimi anni abbiamo appreso che il LiPON ha robuste proprietà meccaniche che completano la sua durabilità chimica ed elettrochimica”, ha affermato Nancy Dudney, una scienziata dell’ORNL che ha guidato il team che ha sviluppato il materiale.
L’impegno del team evidenzia un aspetto poco studiato degli SSB: comprendere i fattori che ne influenzano la durata e l’efficacia. “La comunità di ricerca aveva bisogno di una tabella di marcia”, ha affermato Kalnaus. “Nel nostro articolo abbiamo delineato i meccanismi dei materiali per gli elettroliti a stato solido, incoraggiando gli scienziati a tenerne conto durante la progettazione di nuove batterie”.
UT-Battelle gestisce l’Oak Ridge National Laboratory per l’Ufficio di Scienza del Dipartimento di Energia. L’Office of Science, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti, sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.
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