Come l'ossigeno intrinseco riduce la durata di vita delle batterie allo stato solido

Le batterie allo stato solido (SSB) offrono diversi vantaggi rispetto alle batterie convenzionali, tra cui una maggiore densità di energia e potenza, nonché una maggiore sicurezza, poiché non contengono elettroliti liquidi infiammabili. Tuttavia, poiché gli ioni di litio migrano tra l'elettrodo di lavoro e il controelettrodo durante il funzionamento, il materiale solido può subire variazioni di volume che possono portare a crepe. Per mantenere il contatto tra gli elettrodi e l'elettrolita, gli SSB devono funzionare ad alta pressione. Le variazioni di volume, così come i processi di degradazione alle interfacce, spesso limitano la durata di vita di queste batterie. Finora è stato praticamente impossibile osservare sperimentalmente questi processi, soprattutto a causa dell'elevata pressione di impilamento richiesta durante il funzionamento. Tuttavia, il dottor Elmar Kataev, scienziato dell'HZB, ha ora sviluppato un ambiente di campionamento che consente di analizzare operativamente le SSB ad alta pressione utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X a due colori - soft e hard - (XPS e HAXPES) presso la stazione finale SISSY di BESSY II. Queste condizioni di combinazione di due diverse energie di raggi X (duri per la sensibilità del bulk e morbidi per la superficie) che colpiscono lo stesso punto sono disponibili esclusivamente presso la linea di fascio EMIL.

In collaborazione con la dott.ssa Katherine Mazzio della TU Wien, il team è riuscito per la prima volta a distinguere tra le reazioni in superficie e quelle nelle interfacce sepolte e ad analizzare più dettagliatamente i meccanismi di degradazione delle semicelle _TiS2|Li3YCl6. Abbiamo ottenuto alcune intuizioni sorprendenti, in particolare per quanto riguarda il ruolo dannoso svolto dall'ossigeno intrinseco. Abbiamo osservato che durante il ciclo le specie contenenti ossigeno migrano verso il collettore di corrente del catodo, dove reagiscono con il materiale attivo dell'elettrodo vicino all'interfaccia del collettore di corrente. Ciò comporta la formazione di uno strato amorfo ricco di ossidi di titanio. Questa è la causa principale della rapida perdita di capacità", spiega Mazzio.

Questi risultati sono estremamente importanti per l'ulteriore sviluppo delle SSB. Infatti, l'ingresso dell'ossigeno nelle celle della batteria dovrebbe essere ridotto o addirittura impedito durante la produzione dei materiali costituenti, privilegiando la produzione in atmosfera di gas inerte.