Le batterie sono state realizzate impilando vari strati tramite metodi di deposizione di film sottili. LNMO/Li 3 PO 4 ha mostrato migrazione spontanea di ioni Li e ha avuto una resistenza senza precedenti. Credito:ACS Materiali applicati e interfacce
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno affrontato uno dei principali svantaggi delle batterie completamente allo stato solido sviluppando batterie con una bassa resistenza all'interfaccia elettrodo/elettrolita solido. Le batterie fabbricate hanno mostrato eccellenti proprietà elettrochimiche che superano di gran lunga quelle delle ormai onnipresenti batterie agli ioni di litio, dimostrando così la promessa della tecnologia delle batterie completamente allo stato solido e il suo potenziale per rivoluzionare l'elettronica portatile.
Molti consumatori hanno familiarità con le batterie ricaricabili agli ioni di litio, che si sono sviluppati negli ultimi decenni, e sono ora comuni in tutti i tipi di dispositivi elettronici. Nonostante il loro ampio uso, scienziati e ingegneri ritengono che la tecnologia tradizionale delle batterie agli ioni di litio si stia già avvicinando al suo pieno potenziale e che siano necessari nuovi tipi di batterie.
Le batterie a stato solido sono un nuovo tipo di batteria agli ioni di litio, e hanno dimostrato di essere dispositivi di accumulo di energia potenzialmente più sicuri e più stabili con densità di energia più elevate. Però, l'uso di tali batterie è limitato a causa di un grave svantaggio:la loro resistenza all'interfaccia elettrodo/elettrolita solido è troppo alta, ostacolando la carica e la scarica rapida.
Scienziati del Tokyo Institute of Technology e della Tohoku University, guidato dal professor Taro Hitosugi, batterie completamente allo stato solido fabbricate con resistenza di interfaccia estremamente bassa utilizzando Li (Ni 0,5 mn 1.5 )O 4 (LNMO), fabbricando e misurando le loro batterie in condizioni di vuoto ultraelevato, assicurando che le interfacce elettrolita/elettrodo fossero prive di impurità.
Le (a) curve di carica-scarica e (b) il grafico delle prestazioni in bicicletta mostrano che le prestazioni delle batterie allo stato solido fabbricate non si sono degradate dopo un uso ripetuto, dimostrando la loro ottima stabilità e la totale reversibilità delle reazioni coinvolte nella carica/scarica. Credito:ACS Applicato e Materiali e Interfacce
La struttura di queste batterie completamente allo stato solido è mostrata nella Figura 1. Dopo la fabbricazione, le proprietà elettrochimiche di queste batterie sono state caratterizzate per far luce sulla distribuzione degli ioni di litio intorno all'interfaccia. La diffrazione dei raggi X e la spettroscopia Raman sono state utilizzate per analizzare la struttura cristallina dei film sottili che compongono le batterie. È stata riscontrata la migrazione spontanea di ioni Li dal Li 3 PO 4 strato allo strato LNMO, convertire metà del LNMO in L 2 NMO al Li 3 PO 4 /LNMO interfaccia. La migrazione inversa si verifica durante il processo di addebito iniziale per rigenerare LNMO.
La resistenza di questa interfaccia, verificata mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica, era 7,6 Ω cm 2 , due ordini di grandezza inferiore a quello delle precedenti batterie a stato solido basate su LNMO, e persino più piccolo di quello delle batterie agli ioni di litio a base di elettrolita liquido che utilizzano LNMO. Queste batterie mostravano anche carica e scarica rapida, riuscendo a caricare/scaricare metà della batteria in un solo secondo. Inoltre, ottima anche la ciclabilità della batteria, non mostra alcun degrado delle prestazioni anche dopo 100 cicli di carica/scarica (vedi Figura 2).
Li(Ni 0,5 mn 1.5 )O 4 è un materiale promettente per aumentare la densità di energia di una batteria, perché il materiale fornisce una tensione maggiore. Il team di ricerca spera che questi risultati facilitino lo sviluppo di batterie a stato solido ad alte prestazioni, che potrebbe rivoluzionare i moderni dispositivi elettronici portatili e le auto elettriche.
