L'interfaccia tra l'anodo solido e l'elettrolita liquido svolge un ruolo cruciale nelle prestazioni di una batteria al litio-metallo, ma caratterizzare i processi che avvengono in quell'incrocio è stata una sfida.

Per studiare la superficie dell'anodo, generalmente l'elettrolita liquido viene rimosso e la superficie viene lavata ed asciugata prima dell'analisi. Ma questo lavaggio e asciugatura cambia radicalmente la struttura e la chimica dell'interfaccia; per avere un'immagine precisa dell'interfaccia, deve essere visto nel suo stato naturale.

Ricercatori nel laboratorio di Lena Kourkoutis, professore assistente di fisica applicata e ingegneria, hanno sviluppato e dimostrato una tecnica per la visualizzazione diretta delle interfacce solido-liquido nel tentativo di comprendere meglio un grosso problema con le batterie al litio:crescita di dendriti sull'anodo, che possono causare cortocircuiti e, in casi estremi, guasto catastrofico della batteria.

Michael Zachman, dottorato di ricerca '18, un membro del laboratorio Kourkoutis, è l'autore principale di "Cryo-STEM Mapping of Solid-Liquid Interfaces and Dendrites in Li-Metal Batteries, " che pubblicherà il 16 agosto in Natura .

Contributi chiave sono stati forniti dal laboratorio di Lynden Archer, il Professore distinto di Ingegneria della famiglia James A. Friend presso la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. Zhengyuan Tu, dottorato di ricerca '17, e Snehashis Choudhury, dottorato di ricerca '18, entrambi del gruppo Archer, costruito e analizzato le prestazioni delle batterie utilizzate nello studio.

Il metodo sviluppato dal laboratorio di Kourkoutis prevede il congelamento rapido dell'elettrolita sull'elettrodo, e una suite di tecniche di microscopia criogenica per analizzare la morfologia, informazioni chimiche e strutturali all'interfaccia solido-liquido. Questo lavoro ha implicazioni per i sistemi ben oltre lo stoccaggio di energia, dicono i ricercatori.

"La tecnica che abbiamo sviluppato ci consente davvero di avere una visione non distorta di ciò che sta accadendo su queste interfacce molto complesse, " ha detto Kourkoutis. "E questa è la chiave per capire non solo quella particolare interfaccia, ma anche le implicazioni delle reazioni o dei processi che si verificano".

Kourkoutis ha affermato che questo lavoro è stato ispirato dalla sua esperienza in un laboratorio di biologia presso l'Istituto Max Planck in Germania, dove ha usato un metodo chiamato crio-FIB (fascio ionico focalizzato) per esaminare i processi all'interno delle cellule. A Cornell, il suo gruppo ha adattato il crio-FIB per le interfacce solido-liquido e lo ha combinato con il crio-STEM (microscopia elettronica a trasmissione a scansione) per accedere alla struttura intatta dei dendriti su scala nanometrica.

Per questo lavoro, le batterie a bottone sono state aperte e l'elettrodo è stato immediatamente immerso in un criogeno per congelare rapidamente e preservare la struttura. Zachman, che ha preparato i campioni ed eseguito gli esperimenti, scoprì due distinti tipi di dendriti sulla superficie dell'anodo:il tipo I era relativamente grande (circa 5 micron di diametro) con bassa curvatura; il tipo II era spesso centinaia di nanometri e tortuoso.

Inoltre, i dendriti di tipo I hanno mostrato un'estesa interfase solido-elettrolita (SEI) - uno strato morbido pensato per essere un precursore della crescita dei dendriti - da circa 300 a 500 nanometri di spessore, molto più grande di quanto osservato in precedenza. La scoperta di questo strato – che lo studio suggerisce è per lo più perso durante il lavaggio e l'asciugatura necessari nell'analisi tradizionale – segnala che più litio viene perso in modo irreversibile nello strato SEI di quanto si pensasse in precedenza.

La tecnica del gruppo ha anche rivelato che i dendriti di tipo II erano composti da idruro di litio. "Si presumeva che solo i dendriti composti da metallo di litio fossero nelle batterie, "Zachman ha detto, "e ora vediamo che in realtà sono presenti anche dendriti di idruro di litio, e dovrebbero avere effetti significativi sulle prestazioni della batteria."

Archer ha affermato che queste scoperte dovrebbero aiutare a fornire "indizi importanti su come ci si potrebbe avvicinare alla progettazione chimica degli elettroliti delle batterie".

La collaborazione tra i gruppi Kourkoutis e Archer è scaturita da una proposta congiunta scritta per ottenere 2,7 milioni di dollari dalla National Science Foundation per ottenere il microscopio elettronico a trasmissione a scansione utilizzato in questa ricerca.

"Questa è un'eccezionale dimostrazione dell'eredità di collaborazioni radicali che sono arrivate a definire la ricerca nella scienza dei materiali alla Cornell, e che differenziano Cornell dai suoi coetanei come luogo in cui svolgere tale lavoro, " ha detto Archer.