Le batterie a stato solido, un nuovo design della batteria che utilizza tutti i componenti solidi, hanno attirato l'attenzione negli ultimi anni a causa del loro potenziale di contenere molta più energia evitando contemporaneamente le sfide alla sicurezza delle loro controparti a base liquida.

Ma costruire una batteria a stato solido di lunga durata è più facile a dirsi che a farsi. Ora, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno utilizzato la tomografia computerizzata a raggi X (CT) per visualizzare in tempo reale come si formano le crepe vicino ai bordi delle interfacce tra i materiali nelle batterie. I risultati potrebbero aiutare i ricercatori a trovare modi per migliorare i dispositivi di accumulo di energia.

"Le batterie a stato solido potrebbero essere più sicure delle batterie agli ioni di litio e potenzialmente contenere più energia, che sarebbe l'ideale per veicoli elettrici e persino aerei elettrici, " ha detto Matthew McDowell, un assistente professore presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering e la School of Materials Science and Engineering. "Tecnologicamente, è un campo in rapido movimento, e ci sono molte aziende interessate a questo".

In una tipica batteria agli ioni di litio, l'energia viene rilasciata durante il trasferimento di ioni di litio tra due elettrodi, un catodo e un anodo, attraverso un elettrolita liquido.

Per lo studio, che è stato pubblicato il 4 giugno sulla rivista ACS Energy Letters ed è stato sponsorizzato dalla National Science Foundation, il team di ricerca ha costruito una batteria a stato solido in cui un disco ceramico solido è stato inserito tra due pezzi di litio solido. Il disco ceramico ha sostituito il tipico elettrolita liquido.

"Capire come fare in modo che questi pezzi solidi si incastrino e si comportino bene per lunghi periodi di tempo è la sfida, " ha detto McDowell. "Stiamo lavorando su come progettare queste interfacce tra questi pezzi solidi per farli durare il più a lungo possibile".

In collaborazione con Christopher Saldana, un assistente professore presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso la Georgia Tech ed esperto di imaging a raggi X, i ricercatori hanno posizionato la batteria sotto un microscopio a raggi X e l'hanno caricata e scaricata, alla ricerca di cambiamenti fisici indicativi di degrado. Lentamente nel corso di diversi giorni, un reticolo simile a una rete di crepe formate in tutto il disco.

Quelle crepe sono il problema e si verificano insieme alla crescita di uno strato interfase tra il metallo di litio e l'elettrolita solido. I ricercatori hanno scoperto che questa frattura durante il ciclismo causa resistenza al flusso di ioni.

"Queste sono reazioni chimiche indesiderate che si verificano alle interfacce, "McDowell ha detto. "La gente ha generalmente assunto che queste reazioni chimiche sono la causa della degradazione della cellula. Ma quello che abbiamo imparato facendo questa immagine è che in questo particolare materiale, non sono le reazioni chimiche in sé ad essere negative:non influiscono sulle prestazioni della batteria. La cosa brutta è che la cellula si frattura, e questo distrugge le prestazioni della cellula."

Risolvere il problema della frattura potrebbe essere uno dei primi passi per sbloccare il potenziale delle batterie a stato solido, compresa la loro alta densità di energia. È probabile che il deterioramento osservato influisca su altri tipi di batterie a stato solido, i ricercatori hanno notato, quindi i risultati potrebbero portare alla progettazione di interfacce più durevoli.

"Nelle normali batterie agli ioni di litio, i materiali che utilizziamo definiscono quanta energia possiamo immagazzinare, " ha detto McDowell. "Il litio puro può contenere di più, ma non funziona bene con l'elettrolita liquido. Ma se potessi usare il litio solido con un elettrolita solido, quello sarebbe il Santo Graal della densità energetica."