Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno esaminato i meccanismi alla base della resistenza all'interfaccia elettrodo-elettrolita delle batterie completamente allo stato solido. Le loro scoperte aiuteranno nello sviluppo di batterie agli ioni di litio molto migliori con velocità di carica/scarica molto elevate.

Progettare e migliorare le batterie agli ioni di litio (Li-ion) è fondamentale per estendere i limiti dei moderni dispositivi elettronici e veicoli elettrici perché le batterie agli ioni di litio sono praticamente onnipresenti. Scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), guidato dal Prof. Taro Hitosugi, aveva precedentemente segnalato un nuovo tipo di batteria a stato solido, anche a base di ioni di litio, che ha superato uno dei maggiori problemi di quelle batterie:un'elevata resistenza all'interfaccia tra gli elettrodi e gli elettroliti che limita la carica/scarica rapida.

Sebbene i dispositivi che producevano fossero molto promettenti e per certi versi molto migliori delle tradizionali batterie agli ioni di litio, il meccanismo alla base della ridotta resistenza dell'interfaccia non era chiaro. È stato difficile analizzare le interfacce sepolte nelle batterie completamente allo stato solido senza danneggiarne gli strati. Perciò, Hitosugi e il suo team di ricercatori hanno nuovamente studiato le batterie completamente allo stato solido per far luce su questo argomento. Sospettavano che la cristallinità (che indica quanto sia ordinato e periodico un solido) all'interfaccia elettrodo-elettrolita svolgesse un ruolo chiave nella definizione della resistenza dell'interfaccia.

Per dimostrare questo, hanno fabbricato due diverse batterie a stato solido composte da strati di elettrodi ed elettroliti utilizzando una tecnica di deposizione laser pulsata. Una di queste batterie aveva presumibilmente un'elevata cristallinità all'interfaccia elettrodo-elettrolita, mentre l'altro no. La conferma di ciò è stata possibile utilizzando una nuova tecnica chiamata analisi di dispersione del troncamento dei cristalli a raggi X. "I raggi X possono raggiungere le interfacce sepolte senza distruggere le strutture, " spiega Hitosugi.

Sulla base dei loro risultati, il team ha concluso che un'interfaccia elettrodo-elettrolita altamente cristallina ha comportato una bassa resistenza dell'interfaccia, ottenendo una batteria ad alte prestazioni. Analizzando la struttura microscopica delle interfacce delle loro batterie, hanno proposto una spiegazione plausibile per l'aumento della resistenza delle batterie con interfacce meno cristalline. Gli ioni di litio sono bloccati alle interfacce meno cristalline, ostacolando la conducibilità ionica. "La fabbricazione controllata dell'interfaccia elettrolita/elettrodo è fondamentale per ottenere una bassa resistenza dell'interfaccia, " spiega Hitosugi. Lo sviluppo di teorie e simulazioni per comprendere ulteriormente la migrazione degli ioni di litio sarà cruciale per ottenere finalmente batterie utili e migliorate per tutti i tipi di dispositivi basati sull'elettrochimica.