Una nuova svolta nelle prestazioni delle batterie ricaricabili

Per decenni, i ricercatori hanno ipotizzato che l’inevitabile accumulo di pellicola sugli elettrodi all’interno delle batterie ricaricabili fosse la causa della perdita di prestazioni. Ora, sappiamo che questa visione è arretrata.

L’accumulo di depositi di litio metallico strutturati a forma di muschio o di alberi sugli elettrodi della batteria non è la causa principale della perdita di prestazioni, ma piuttosto un effetto collaterale. Viene riportata oggi la prima misura diretta delle proprietà elettriche al confine tra l’elettrodo solido e l’elettrolita liquido all’interno di una batteria ricaricabile Energia della natura.

Lo studio, condotto da un gruppo di ricerca presso il Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell’Energia, mostra che la cosiddetta interfase dell’elettrolita solido (SEI) non è un isolante elettronico, come si pensava in precedenza, ma si comporta invece come un semiconduttore. La ricerca risolve il mistero di lunga data di come il SEI funziona elettricamente durante il funzionamento a batteria.

I risultati hanno implicazioni dirette per la progettazione di batterie più durature mettendo a punto le proprietà fisiche ed elettrochimiche dell’elettrolita liquido, che viene spesso definito l’apporto sanguigno di una batteria funzionante.

“Un tasso più elevato di conduttanza elettrica induce un SEI più spesso con forme complesse di litio solido, portando infine a prestazioni inferiori della batteria”, ha affermato Chongmin Wang, membro del laboratorio PNNL ed esperto di tecnologia delle batterie che ha co-diretto lo studio.

La batteria di dimensioni microscopiche ribalta le ipotesi su come funzionano le batterie ricaricabili

I ricercatori si concentrano su questo strato SEI, che è più sottile di un foglio di carta velina, a causa del suo ruolo enorme nelle prestazioni della batteria. Questo mosaico filmoso consente selettivamente agli ioni di litio caricati di incrociarsi durante la scarica e controlla il movimento degli elettroni che forniscono energia alla batteria.

Quando le batterie sono nuove, il SEI si forma durante il primo ciclo di ricarica e idealmente rimane stabile per tutta la durata di vita prevista della batteria. Ma uno sguardo all’interno di una batteria ricaricabile obsoleta spesso rivela un sostanziale accumulo di litio solido sugli elettrodi negativi. I ricercatori sulle batterie hanno ipotizzato che questo accumulo causi perdite di prestazioni. Parte del motivo di questo lavoro di congettura è stata l’incapacità di effettuare misurazioni per testare causa ed effetto.

Lo scienziato ricercatore sulle batterie Yaobin Xu inserisce un campione in un microscopio elettronico a trasmissione per esaminare la funzione di una batteria ricaricabile. (Foto di Andrea Starr | Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale)

Wang, insieme al co-responsabile dello studio Wu Xu, uno scienziato dei materiali del Battery Materials and Systems Group del PNNL, i co-primi autori Yaobin Xu e Hao Jia e i loro colleghi del PNNL, della Texas A&M University e del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno risolto questo problema sviluppando una nuova tecnica per misurare direttamente la conduzione elettrica attraverso il SEI in un sistema sperimentale. Il team ha combinato la microscopia elettronica a trasmissione con la manipolazione su scala nanometrica di aghi metallici microfabbricati all’interno del microscopio. I ricercatori hanno poi misurato le proprietà elettriche dello strato SEI formato su un metallo di rame o litio con quattro diversi tipi di elettroliti.

Le misurazioni del gruppo hanno rivelato che all’aumentare della tensione nella batteria, lo strato SEI perde sempre elettroni, rendendolo semi-conduttivo.

I risultati suggeriscono che le molecole contenenti carbonio perdono elettroni, riducendo la durata della batteria

Dopo aver registrato questo comportamento simile a quello di un semiconduttore, che non era mai stato osservato direttamente in precedenza, volevano capire quali componenti del SEI chimicamente complesso sono responsabili della perdita di elettroni.

“Abbiamo scoperto che i componenti organici contenenti carbonio dello strato SEI sono inclini a perdere elettroni”, ha detto Xu.

I ricercatori hanno concluso che ridurre al minimo i componenti organici nel SEI consentirebbe alle batterie di avere una vita utile più lunga.

“Anche lievi variazioni della velocità di conduzione attraverso il SEI possono comportare differenze drammatiche nell’efficienza e nella stabilità del ciclo della batteria”, ha aggiunto Wang.

Informazioni sul Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale: Anche i ricercatori del PNNL Peiyuan Gao, Xia Cao, Phung ML Le, Mark H. Engelhard, Shuang Li e Ji-Guang Zhang hanno contribuito alla ricerca. La ricerca è stata sponsorizzata dall’Ufficio per l’efficienza energetica e le tecnologie dei veicoli del DOE nell’ambito del programma di ricerca sui materiali avanzati delle batterie e della cooperazione USA-Germania sullo stoccaggio dell’energia. Il lavoro di imaging e analisi elettrica è stato condotto nel Laboratorio di scienze molecolari ambientali, una struttura scientifica nazionale sponsorizzata dall’Ufficio di ricerca biologica e ambientale del DOE e situata presso PNNL. Alcuni lavori di caratterizzazione sono stati completati presso la Fonderia Molecolare, situata presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e supportata dal DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences.

Articolo per gentile concessione del Pacific Northwest National Laboratory.