Cortocircuiti nelle batterie allo stato solido: il meccanismo finalmente dimostrato
Utilizzando la microscopia crioelettronica sotto vuoto, un team del Max Planck ha risolto un dibattito decennale sulla fessurazione indotta dai dendriti
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Smartphone, veicoli elettrici e molti dispositivi portatili si affidano alle batterie. La loro capacità di immagazzinare energia, la loro durata e la loro sicurezza determineranno fortemente il futuro dell'elettrificazione. Tra le tecnologie di prossima generazione più promettenti ci sono le batterie allo stato solido. Queste batterie permetterebbero agli smartphone di funzionare per diversi giorni invece di richiedere una ricarica giornaliera e ai veicoli elettrici di avere un'autonomia di guida pari a un terzo di quella attuale.
Interno di una batteria agli ioni di litio rispetto a una batteria allo stato solido. L'ampio uso di batterie allo stato solido è stato finora impedito a causa della formazione di dendriti durante la carica.
P. Mehta: Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH
A differenza delle batterie agli ioni di litio oggi ampiamente diffuse, che utilizzano un elettrolita liquido tra due elettrodi solidi, le batterie allo stato solido impiegano un elettrolita solido. Questo design può aumentare la densità energetica, migliorare la sicurezza e prolungare la durata della batteria. Tuttavia, una sfida importante ne limita ancora l'uso commerciale. Durante la carica, si formano delle intrusioni microscopiche note come dendriti. Queste minuscole strutture ad albero si sviluppano dall'anodo, penetrano nell'elettrolita solido e causano cortocircuiti all'interno della batteria.
Un team interdisciplinare dell'Istituto Max Planck per i materiali sostenibili ha ora scoperto come i dendriti inducano la frattura, portando ai cortocircuiti. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature.
Cosa causa la frattura indotta dalle dendriti nelle batterie allo stato solido?
La formazione di dendriti nelle batterie allo stato solido è un fenomeno controintuitivo. "Sebbene gli elettrodi e le dendriti che si formano siano costituiti da litio metallico, che è morbido come un orsetto gommoso, le dendriti sono in grado di penetrare nell'elettrolita ceramico e di provocare un cortocircuito", spiega il dott. Yuwei Zhang, primo autore della nuova pubblicazione e capo del gruppo "Chemo-Mechanics of Battery Materials" presso il Max Planck Institute for Sustainable Materials. "Come possono le dendriti morbide fratturare la rigida ceramica solida? Le ipotesi sono due: o all'interno dei dendriti si crea uno stress interno che induce la frattura meccanica dell'elettrolita solido. Oppure, gli elettroni fuoriescono lungo i confini dei grani dell'elettrolita solido promuovendo la formazione di nuclei di litio che si interconnettono successivamente".
Per dimostrare l'una o l'altra ipotesi, i ricercatori hanno utilizzato una complessa serie di tecniche di preparazione dei campioni e di caratterizzazione dei materiali, caratterizzati interamente sotto vuoto e a temperature criogeniche per escludere qualsiasi influenza di ossigeno, acqua o del fascio di elettroni dei microscopi.
Il team del Max Planck ha analizzato lo stato di stress e l'attività plastica delle dendriti di litio confinate all'interno delle fessure ed è riuscito a dimostrare che il litio non si è arricchito davanti alla punta della dendrite. "Il litio metallico morbido è in grado di penetrare nell'elettrolita ceramico rigido, come un getto d'acqua continuo che penetra in una roccia. Abbiamo calcolato che lo stress idrostatico nella dendrite porta alla frattura fragile dell'elettrolita solido", spiega Zhang. Ulteriori simulazioni del campo di fase e misure di diffrazione di elettroni hanno confermato le loro scoperte.
Possibili modi per prevenire o ritardare la frattura indotta dalla dendrite
Dopo aver scoperto come si verifica la cricca indotta dalla dendrite, i ricercatori stanno ora esplorando le strategie per prevenirla. I possibili approcci includono l'aumento della tenacità dell'elettrolita solido per ritardare la formazione di cricche, l'introduzione di vuoti microscopici che reindirizzano la crescita dei dendriti e deviano le cricche, o l'applicazione di rivestimenti protettivi agli elettrodi di litio per sopprimere la formazione di dendriti.
Questi risultati evidenziano quanto sia cruciale la comprensione fondamentale del comportamento dei materiali per trasformare tecnologie promettenti in applicazioni pratiche e reali.
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 Inglese può essere trovato qui.
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