Una nuova ricerca presso la McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis è la prima a dimostrare che un elettrolita allo stato solido è simile agli elettroliti liquidi, il che è una buona notizia per progettare sistemi più sicuri ed efficienti batterie allo stato solido basata su una conoscenza meccanicistica affidabile.
Celle elettrolitiche solide in ceramica (forme rettangolari verticali) con dendriti (le strutture scure simili a fulmini all’interno dei rettangoli) che crescono al loro interno dal basso verso l’alto. Questi elettroliti solidi galleggiano su un liquido (pozzanghera blu) che rappresenta un elettrolita liquido. I riflessi degli elettroliti solidi nel liquido blu, in particolare i dendriti scuri, mostrano la somiglianza nel processo di inizio dei dendriti sia nel liquido che nel solido. Credito immagine: laboratorio Rajeev Gopal/Bai
“I nostri risultati rivelano somiglianze sorprendenti tra gli elettroliti liquidi e solidi, e questo ci consente di prendere in prestito alcune idee dagli elettroliti liquidi di successo per aiutare la nostra progettazione degli elettroliti solidi”, ha affermato Peng Bairicercatore di ingegneria energetica, ambientale e chimica.
“Prima del nostro lavoro, gli elettroliti solidi, almeno quelli ceramici che abbiamo studiato qui, erano considerati nettamente diversi dalle loro controparti liquide”.
Le batterie alimentano gran parte della nostra vita, quindi trovare nuovi miglioramenti avrà un drastico impatto sulla società, ha affermato Bai.
Un percorso promettente è lo sviluppo di una batteria a stato solido completa. Un componente chiave è l’elettrolito al centro della batteria che consente il movimento degli ioni tra gli elettrodi.
Peng Bai. Credito immagine: Washington University di St. Louis
Qui, l’elettrolita liquido tradizionalmente utilizzato viene sostituito con uno solido e accoppiato a un elettrodo metallico. Ciò aumenta la quantità di energia immagazzinata e porta a una batteria potenzialmente più sicura.
Tuttavia, un numero crescente di rapporti sulle batterie a stato solido racconta la storia di una barriera chiave, la densità di corrente critica (CCD), oltre la quale crescono piccole strutture simili ad alberi chiamate dendriti, con conseguente guasto della batteria. Questi CCD segnalati sono relativamente bassi, ostacolando la ricarica rapida e compromettendo l’ulteriore sviluppo delle batterie a stato solido.
“Il CCD degli elettroliti allo stato solido è un mistero. Stiamo lavorando per rivelare perché esiste, qual è la sua vera fisica e come cambia in diverse condizioni operative “, ha affermato Bai, il principale investigatore di questo progetto e autore corrispondente dell’articolo pubblicato il 12 aprile in Lettere sull’energia ACS.
“La nostra scoperta mostra che la grandezza del CCD è legata allo spessore dell’elettrolita solido, simile alla corrente limite negli elettroliti liquidi che sono ben noti per avere una dipendenza dallo spessore”, ha detto.
“Se riesci a rendere l’elettrolita solido abbastanza sottile, possiamo evitare questo problema CCD, evitando così la crescita di dendriti e il cortocircuito interno”.
Rajeev Gopal, uno studente di dottorato nel laboratorio di Bai e primo autore dell’articolo. Credito immagine: Washington University di St. Louis
Le innovazioni sperimentali coinvolte in questo studio includono il prelievo di un pellet standard, un piccolo disco circolare completamente densificato mediante sinterizzazione controllata di polveri ceramiche, e il taglio preciso in più pezzi più piccoli. I pezzi sono stati poi testati utilizzando una tecnica elettroanalitica diversa da quelle comunemente utilizzate.
“Questi campioni di bambini dello stesso pellet madre erano quasi identici”, ha detto Bai. “Testare centinaia di questi campioni in miniatura idealmente coerenti ha reso i risultati che abbiamo ottenuto più affidabili e le statistiche più significative”.
Rajeev Gopal, uno studente di dottorato nel laboratorio di Bai e primo autore dell’articolo, ha affermato che questo studio può fare davvero la differenza.
“Il nostro lavoro può far luce sul misterioso fenomeno dell’inizio dei dendriti al CCD”, ha detto Gopal. “Le tendenze statistiche che abbiamo svelato qui aiuteranno a prevedere e, in definitiva, a mitigare questo tipo di crescita, aumentando la fattibilità di questi elettroliti nelle batterie del mondo reale”.
Fonte: Università di Washington a St. Louis
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