Più in alto, più veloce, più lontano con le batterie allo stato solido
Nuove scoperte sugli effetti delle cariche spaziali potrebbero migliorare l'efficienza
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In futuro, le batterie allo stato solido potrebbero immagazzinare elettricità in modo più efficiente e sicuro rispetto alle attuali batterie con elettroliti liquidi. Le cariche spaziali che si formano nelle batterie allo stato solido ne hanno finora compromesso le prestazioni. * Le cariche spaziali si formano principalmente sul terminale positivo delle batterie. Ciò fornisce un punto di partenza per prevenire la loro formazione modificando la struttura o il materiale dell'elettrodo.
Sia nella mobilità elettrica che nei sistemi di accumulo stazionari: Le batterie allo stato solido promettono una maggiore capacità di accumulo e una maggiore sicurezza. Questo perché non utilizzano più un elettrolita liquido, ma uno solido. Non possono quindi avere perdite e il rischio di incendio, che si verifica molto raramente con le batterie di oggi ma che è un argomento di discussione ricorrente, è praticamente inesistente.
I ricercatori hanno analizzato in modo più approfondito la zona di carica spaziale all'interno di una batteria al litio. Con le loro indagini, sperano che in futuro tali batterie possano diventare ancora più potenti.
© MPI-P
Resistenza nella pompa di carica
I ricercatori del Max Planck Institute for Polymer Research e delle università giapponesi hanno ora aperto la possibilità di rendere più efficienti le batterie a stato solido in uno studio pubblicato sulla rivista ACS Nano. "Una batteria è una sorta di pompa", spiega Rüdiger Berger, capogruppo del Max Planck Institute for Polymer Research. "Gli ioni, cioè gli atomi carichi, si muovono all'interno, il che deve essere bilanciato all'esterno da un flusso di elettroni e quindi da un flusso di corrente". Quando gli ioni si muovono all'interno della batteria, sulle superfici interne della batteria si può formare un cosiddetto strato di carica spaziale. Questi respingono gli altri ioni in movimento. Questo strato di carica crea una resistenza aggiuntiva e quindi perdite all'interno della batteria, ostacolando sia il processo di carica che quello di scarica.
Come ha scoperto il team di Magonza, l'effetto si verifica principalmente sull'elettrodo positivo, dove si forma uno strato di carica spesso meno di 50 nanometri - sottile come la parte più sottile di una bolla di sapone. Inoltre, hanno stabilito quantitativamente che lo strato di carica spaziale è dinamico, cioè dipende dallo stato di carica della batteria. Questo strato di carica spaziale rappresenta circa il 7% della resistenza totale della batteria, ma può anche essere molto maggiore, a seconda dei materiali utilizzati per l'elettrolita.
Indagini durante il funzionamento
Finora si sapeva poco delle dimensioni di questo strato di carica e della sua influenza sul flusso di corrente. Diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno già analizzato questo effetto in studi precedenti, ma sono giunti a conclusioni completamente diverse sullo spessore dello strato di carica a seconda del metodo utilizzato.
Il team internazionale guidato da Rüdiger Berger ha quindi utilizzato per la prima volta due metodi microscopici per studiare dove e come si forma lo strato di carica. La sfida consisteva nell'utilizzare metodi microscopici per analizzare lo strato limite di un modello di batteria praticamente durante il funzionamento e in diversi stati di carica.
Uno sguardo ravvicinato alle cariche spaziali
Per lo studio attuale, i ricercatori hanno analizzato un modello di batteria a film sottile, costruito appositamente per questo scopo, utilizzando la microscopia a forza di sonda Kelvin da un lato e l'analisi della reazione nucleare dall'altro. Utilizzando la microscopia di forza con sonda Kelvin, sono stati in grado di scansionare la sezione trasversale della batteria - una batteria aperta, per così dire - con un ago sottile, imparando così a conoscere meglio l'influenza locale della tensione e osservando i potenziali elettrici in tempo reale. Utilizzando l'analisi della reazione nucleare, hanno rilevato l'accumulo di litio all'interfaccia con il terminale positivo della batteria.
"Entrambe le tecniche sono nuove per la ricerca sulle batterie e possono essere utilizzate in futuro anche per altri problemi", spiega Taro Hitosugi dell'Università di Tokyo. I ricercatori sperano ora di trovare un modo per ridurre la resistenza e aumentare ulteriormente le prestazioni delle batterie a stato solido modificando il materiale o la struttura dell'elettrodo.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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