Man mano che il nostro amore per i gadget cresce, così fanno le richieste di batterie più durature. Ma c'è un problema.

Per fare una batteria più duratura, deve essere più grande, e più grande non è meglio quando si tratta di telefoni cellulari o auto elettriche, per non parlare dei pacemaker.

Le batterie agli ioni di litio hanno già una reputazione tutt'altro che stellare:pensa ai telefoni cellulari che esplodono o agli incendi sugli aerei. Al di là di questi problemi esistenti, quando i ricercatori tentano di ridurre queste batterie senza comprometterne le prestazioni, i risultati sono ancora più instabili e soggetti a cortocircuiti; gli ingegneri non sono stati in grado di superare questi problemi.

I ricercatori della Washington University di St. Louis hanno nuove intuizioni sulla causa, o sulle cause, di questi problemi, aprendo la strada ai più piccoli, più sicuro, batterie più ad alta densità energetica. Il risultato del loro lavoro è stato recentemente pubblicato online sulla rivista Joule .

Peng Bai, professore assistente presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate, ha identificato tre limiti attuali chiave quando si tratta di queste batterie al litio metallo ad alta densità energetica. Si scopre, gli ingegneri stavano cercando una soluzione a quelli che risultano essere tre problemi.

Una batteria agli ioni di litio è composta da tre strati:uno strato di materiale a bassa tensione (grafite) chiamato anodo; uno di materiale ad alta tensione (ossido di litio cobalto) chiamato catodo; e uno strato di plastica porosa che separa i due.

Il separatore è bagnato da un liquido chiamato elettrolita. Quando la batteria si scarica, gli ioni di litio si svuotano dall'anodo, passando attraverso l'elettrolita liquido, e passare al catodo. Il processo è invertito mentre la batteria si carica.

"Con metà dei materiali degli elettrodi che ospitano ioni di litio vuoti in ogni momento, "Bai ha detto, "Stai sprecando metà del tuo spazio."

Gli ingegneri sapevano che avrebbero potuto costruire una batteria più densa di energia (una batteria più piccola con capacità di uscita simili) scartando parte del peso morto che deriva dal fatto che metà dei materiali host è sempre vuota. Hanno avuto un successo minimo rimuovendo l'anodo di grafite, poi riducendo gli ioni di litio con gli elettroni durante la ricarica, un processo che forma una sottile placcatura di litio metallico.

"Il problema è che la placcatura al litio non è uniforme, "Bai ha detto. "Può crescere 'dita'. "

I ricercatori hanno indicato queste dita come "dendriti". Mentre si diffondevano dalla placcatura in metallo di litio, possono penetrare nel separatore della batteria, portando ad un corto circuito.

Ma non tutte le "dita" sono uguali. "Se li chiami tutti dendriti, stai cercando una soluzione per risolvere in realtà tre problemi, che è impossibile, "Bai ha detto. "Ecco perché dopo tanti anni questo problema non è mai stato risolto."

Il suo team ha identificato tre distinti tipi di dita, o modalità di crescita, in questi anodi di litio metallico. Delineano anche a quale corrente appare ogni modalità di crescita.

"Se usi una corrente molto alta, costruisce sulla punta per produrre una struttura ad albero, " ha detto Bai. Quelli sono "veri dendriti" (vedi Figura A).

Al di sotto del limite inferiore hai baffi che crescono dalla radice (vedi Figura B).

E all'interno di questi due limiti esiste la transizione dinamica dai baffi ai dendriti, che Bai chiama "crescita superficiale" (vedi Figura C).

Queste escrescenze sono tutte legate alle reazioni concorrenti nella regione tra l'elettrolita liquido e i depositi di metallo.

Lo studio ha scoperto che un separatore ceramico nanoporoso può bloccare i baffi fino a una certa densità di corrente, dopodiché le escrescenze superficiali possono penetrare lentamente nel separatore. Con una corrente abbastanza forte, forma "veri dendriti", che può penetrare facilmente e molto rapidamente nel separatore per cortocircuitare la batteria.

A questo punto, Bai ha detto, "la nostra cella trasparente unica ha rivelato che la tensione della batteria potrebbe sembrare abbastanza normale, anche se il separatore è stato penetrato da un filamento metallico di litio. Senza vedere cosa sta succedendo dentro, potresti essere facilmente ingannato dalla tensione apparentemente ragionevole, ma, veramente, la tua batteria si è già scaricata."

Per costruire una cassaforte, efficiente, batteria affidabile con un anodo in metallo al litio, le tre modalità di crescita devono essere controllate con tre metodi diversi.

Questa sarà una sfida considerando che i consumatori vogliono batterie in grado di immagazzinare più energia, e allo stesso tempo vogliono che vengano caricati più rapidamente. La combinazione di questi due produce inevitabilmente una corrente di carica sempre maggiore, che può superare una delle correnti critiche identificate dal team di Bai.

E, le batterie possono degradarsi. Quando lo fanno, le correnti critiche individuate per la batteria nuova vengono meno; la soglia si abbassa. A quel punto, data la stessa corrente di carica rapida, c'è una maggiore probabilità che la batteria si scarichi.

"Il funzionamento della batteria è altamente dinamico, in una gamma molto ampia di correnti. Eppure la sua disposizione varia drammaticamente lungo il ciclo di vita", ha detto Bai. "Ecco perché questo diventa necessario".