Perché è così difficile rendere le batterie più piccole e leggere?

La scienza

Le batterie a bottone piatte (del tipo utilizzato negli orologi) esistono da decenni. Ma la combinazione di componenti solidi e liquidi rende molto difficile vedere come i componenti si guastano all’interno di queste batterie. Per saperne di più, gli scienziati hanno congelato un’intera batteria, l’hanno aperta con un laser superveloce e hanno fotografato i componenti interagenti su scala microscopica. Volevano sapere perché le batterie al litio metallico, che dovrebbero immagazzinare più energia, si guastano molto più rapidamente rispetto alle batterie standard agli ioni di litio durante la carica e la scarica reversibili.

L’impatto

Le batterie al litio che utilizzano anodi metallici potrebbero rendere le batterie future più piccole e leggere, ma queste batterie hanno problemi limitati di ricaricabilità e sicurezza. Una teoria era che il litio formasse punte resistenti (“dendriti”) che creavano buchi attraverso il separatore. Questi dendriti convertirebbero l’elettricità in calore e causerebbero un incendio. Tuttavia, congelando una batteria e visualizzandola ad alto ingrandimento, gli scienziati hanno dimostrato che il litio reagiva con l’elettrolita liquido per formare masse solide che distruggevano il separatore dall’interno verso l’esterno. Questo risultato sorprendente aiuterà gli ingegneri a produrre batterie migliori. Cosa altrettanto importante, gli scienziati possono adattare questa tecnica per rivelare più misteri che si verificano in altri ambienti complessi, solido-liquido.

Riepilogo

Una pila di batterie al litio comprende due elettrodi, un separatore e un catodo. Questi componenti sono tutti immersi in un elettrolita liquido. Durante la carica/scarica, il litio si muove avanti e indietro tra gli elettrodi. Le batterie al litio metallico consentono un accumulo di energia equivalente in batterie che sono più piccole e leggere rispetto alla tecnologia attuale per l’elettronica portatile e i veicoli elettrici, ma pongono sfide in termini di durata e sicurezza. Sfortunatamente, quando la batteria al litio metallico si carica e si scarica, il litio metallico mobile interagisce fortemente con la maggior parte degli elettroliti liquidi, formando masse solide irregolari di sostanze chimiche (“interfase solido-elettrolita” [SEI]). In precedenza, gli scienziati erano a conoscenza di questa formazione SEI, ma non potevano vedere i componenti solidi e liquidi senza danneggiarli.

Congelando l’intera batteria, tagliandola con un laser (che taglia così rapidamente da non sciogliere la batteria) e osservandola congelata con un microscopio elettronico, un gruppo di ricerca ha finalmente osservato il guasto della batteria. Hanno osservato che il SEI blocca completamente il movimento del litio (portando a una durata di vita breve) o blocca una scia di litio tra i due elettrodi (causando il pericolo di incendi). Hanno anche osservato che il SEI si forma in tutta la batteria, dove la crescita del SEI distrugge il separatore dall’interno verso l’esterno. Questa comprensione è un passo avanti verso la realizzazione di batterie migliori e più sicure. L’idea di congelare e guardare all’interno di altri sistemi complessi sarà utile anche in molti altri settori, dalla biomedicina alla corrosione dell’acciaio.

Finanziamento

Questo lavoro è stato supportato dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio presso i Sandia National Laboratories e dal Dipartimento dell’Energia (DOE) attraverso l’Ufficio per l’efficienza energetica e le energie rinnovabili, l’Ufficio per la tecnologia dei veicoli e l’Ufficio per la scienza, il programma Scienze energetiche di base. Questo lavoro è stato eseguito, in parte, presso il Center for Integrated Nanotechnologies, una struttura per utenti dell’Office of Science presso i Sandia National Laboratories.

Articolo di Dipartimento di Energia, Ufficio di Scienzatramite Newswise.