Batterie allo stato solido: gli scienziati di Stanford trovano un'altra soluzione al decadimento

Batterie allo stato solido: gli scienziati di Stanford trovano un'altra soluzione al decadimento

Continua la ricerca per limare le debolezze delle promettenti batterie allo stato solido, visti da molti come lo step successivo a quelle agli ioni di litio, ad oggi largamente utilizzate

di pubblicata il , alle 14:42 nel canale Batterie
 

In una ricerca speculare a quella dell'MIT, di cui abbiamo parlato in questo articolo, i ricercatori dell'Università di Stanford hanno individuato la causa scatenante dei dendriti, prolungamenti simili a radici che si formano all'interno dell'elettrolita solido – lo strato ceramico che separa anodo e catodo.

Queste radici si allungano ad ogni ciclo di carica e scarica, arrivando a creare un ponte di litio che collega i due poli e innescando un cortocircuito all'interno della cella.

Entrambi gli studi sono arrivati alla medesima conclusione: i dendriti si formano a causa dello stress meccanico subito dalla cella.

"Basta una modesta rientranza, flessione o torsione delle batterie per causare l'apertura di fessure nanoscopiche nei materiali e l'intrusione di litio nell'elettrolita solido causandone un cortocircuito", ha spiegato l'autore senior William Chueh, professore associato di Scienza dei Materiali e Ingegneria alla School of Engineering, e di Scienze Energetiche e Ingegneria nella nuova Stanford Doerr School of Sustainability, che ha diretto la ricerca con Wendy Gu, assistente professore di ingegneria meccanica.

"Anche la polvere o altre impurità introdotte nella produzione possono generare abbastanza stress da causare guasti", ha aggiunto.

Il 30 Gennaio il team ha pubblicato il proprio studio "Mechanical regulation of lithium intrusion probability in garnet solid electrolytes" sulla rivista Nature Energy.

I ricercatori hanno dimostrato attraverso più di 60 esperimenti che la ceramica (materiale comunemente usato come elettrolita) presenta spesso crepe, ammaccature e fessure nanoscopiche, molte delle quali larghe meno di 20 nanometri.

Durante la ricarica rapida, probabilmente a causa del cambio di volume nella cella - come evidenziato da Yet-Ming Chiang del Massachusetts Institute of Technology, che ha guidato lo studio "Controlling dendrite propagation in solid-state batteries with engineered stress" - queste fratture intrinseche si aprono, consentendo al litio di intromettersi, creando i dendriti.

Diversamente dai colleghi del Massachusetts che hanno usato un elettrolita trasparente per studiare il fenomeno, i ricercatori di Stanford hanno applicato una sonda elettrica a un elettrolita solido, creando una batteria in miniatura.

Stanford batteria allo stato solido

Attraverso l'utilizzo di un microscopio elettronico hanno osservato la ricarica rapida in tempo reale.

Infine, hanno usato un raggio ionico come un bisturi per capire perché il litio si raccogliesse sulla superficie della ceramica in alcuni punti, come desiderato, mentre in altri punti iniziava a scavare sempre più in profondità, fino a raggiungere il polo opposto della batteria.

Stanford batteria allo stato solido

La conclusione del team è che sia la pressione a decidere il percorso che il litio intraprenderà: infatti, quando la sonda elettrica toccava appena la superficie dell'elettrolita, il litio vi si raccoglieva sopra, anche se la carica avveniva in modo estremamente veloce.

Al contrario, quando la sonda premeva contro l'elettrolita ceramico imitando le sollecitazioni meccaniche di indentazione, flessione e torsione, le probabilità che la batteria sarebbe andata in corto circuito erano molto più alte.

Mentre dall'MIT la soluzione al problema dei dendriti è stata applicare la giusta pressione nella direzione opposta a quella intrapresa dalla radice, a Stanford si sta studiando un modo per rinforzare l'elettrolita facendo sì che le crepe non si formino del tutto.

Stanford batteria allo stato solido

Il team di Chueh sta ideando strategie per utilizzare queste stesse forze meccaniche intenzionalmente per indurire il materiale durante la produzione, proprio come un fabbro che tempra una lama durante la produzione.

I ricercatori stanno anche cercando modi per rivestire la superficie dell'elettrolita.

"Questi miglioramenti iniziano tutti con una singola domanda: perché?", ha detto Cui, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Gu. "Siamo ingegneri. La cosa più importante che possiamo fare è scoprire perché sta accadendo qualcosa. Una volta che lo sappiamo, possiamo migliorare le cose".

1 Commenti
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Gellison03 Febbraio 2023, 14:20 #1
la grande sfida dell'elettrico....secondo me ancora siamo lontani!

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