Uno strato di fosforo rosso nelle batterie ricaricabili al litio metallico può segnalare quando i dendriti dannosi minacciano di creare un cortocircuito. La tecnica sviluppata alla Rice University potrebbe portare a batterie al litio metallico più potenti. Credito:Tour Group/Rice University
Gli scienziati della Rice University hanno compiuto il passo successivo verso il dispiegamento di potenti, batterie ricaricabili al litio metallico rendendole più sicure e più semplici da produrre.
Il laboratorio Rice del chimico James Tour ha realizzato celle di prova con uno strato di fosforo rosso sul separatore che tiene separati gli elettrodi dell'anodo e del catodo. Il fosforo funge da spia per i sistemi di gestione utilizzati per caricare e monitorare le batterie rilevando la formazione di dendriti, sporgenze di litio che possono causarne il cedimento.
Gli anodi in metallo di litio si caricano molto più velocemente e contengono circa 10 volte più energia in volume rispetto ai comuni anodi agli ioni di litio utilizzati in quasi tutti i dispositivi elettronici sul mercato, compresi cellulari e auto elettriche. Gli anodi sono uno dei due elettrodi necessari per il funzionamento a batteria.
Ma caricando anodi al litio si formano dendriti che, se raggiungono il catodo, causare un cortocircuito ed eventualmente un incendio o un'esplosione. Quando un dendrite raggiunge un separatore rivestito di fosforo rosso, la tensione di carica della batteria cambia. Ciò indica al sistema di gestione della batteria di interrompere la ricarica.
A differenza di altri rivelatori di dendriti proposti, la strategia Rice non richiede un terzo elettrodo.
"Produrre batterie con un terzo elettrodo è molto difficile, " Tour ha detto. "Proponiamo uno strato statico che dà un picco di tensione mentre la batteria è in carica. Quel picco è un segnale per spegnerlo".
La ricerca appare in Materiale avanzato .
Le immagini di una batteria al litio metallica a mezza cella mostrano i dendriti che si avvicinano a un separatore di fosforo rosso. Il separatore invia un segnale all'elettronica della batteria per spegnersi quando i dendriti minacciano di creare un cortocircuito. La scoperta degli scienziati della Rice University potrebbe contribuire a rendere più sicure le batterie al litio. Credito:Tour Group/Rice University
Lo strato di fosforo rosso non ha avuto effetti significativi sulle normali prestazioni negli esperimenti sulle batterie di prova del Tour lab.
I ricercatori hanno costruito una cella di prova trasparente con un elettrolita (il materiale liquido o gelatinoso tra gli elettrodi e attorno al separatore che consente alla batteria di generare una corrente) noto per accelerare l'invecchiamento del catodo e incoraggiare la crescita dei dendriti. Ciò ha permesso loro di monitorare la tensione mentre osservavano la crescita dei dendriti.
Con un normale separatore, hanno visto i dendriti entrare in contatto e penetrare nel separatore senza alcuna variazione di tensione, una situazione che porterebbe una batteria normale a guastarsi. Ma con lo strato di fosforo rosso, hanno osservato un forte calo di tensione quando i dendriti hanno contattato il separatore.
"Non appena un dendrite in crescita tocca il fosforo rosso, dà un segnale nella tensione di carica, " disse Tour. "Quando il sistema di gestione della batteria lo rileva, può dire, 'Smetti di caricare, non usare.'"
L'anno scorso, il laboratorio ha introdotto pellicole di nanotubi di carbonio che sembrano arrestare completamente la crescita dei dendriti dagli anodi di litio metallico.
"Combinando i due recenti progressi, la crescita dei dendriti di litio può essere mitigata, e c'è una polizza assicurativa interna che la batteria si spegnerà nell'improbabile eventualità che anche un solo dendrite inizi a crescere verso il catodo, " Disse Giro.
"Letteralmente, quando crei una nuova batteria, ne stai facendo più di un miliardo, " ha detto. "Un paio di quelli potrebbero fallire? Bastano pochi fuochi perché le persone diventino davvero ansiose. Il nostro lavoro fornisce un'ulteriore garanzia per la sicurezza della batteria. Stiamo proponendo un altro livello di protezione che dovrebbe essere semplice da implementare".
