Batterie completamente allo stato solido, un design della batteria composto da tutti i componenti solidi, hanno attirato l'attenzione come il prossimo grande progresso oltre le batterie agli ioni di litio a causa del loro potenziale di immagazzinare più energia pur essendo più sicure da usare. Quando in grado di essere prodotto in quantità commerciali, le batterie a stato solido rivoluzionerebbero i veicoli elettrici (EV) aumentando efficacemente l'autonomia di guida o riducendo notevolmente il volume e il peso.

Tuttavia, le batterie a stato solido possono guastarsi dopo un ciclo (caricamento e scaricamento ripetuti) a correnti pratiche, che è stata una delle barriere che hanno impedito la loro commercializzazione di massa.

In un nuovo articolo pubblicato da Materiali della natura , intitolato "La corrente di strippaggio critica porta alla formazione di dendriti sulla placcatura in celle di elettroliti solidi con anodo di litio, I ricercatori del Faraday Institution dell'Università di Oxford hanno fatto un passo avanti nella comprensione dei meccanismi attraverso i quali le batterie a stato solido si guastano, un prerequisito necessario per evitare tali guasti.

I dendriti sono reti ramificate di litio che crescono attraverso il solido, ceramica, elettrolita durante la carica di una batteria, provocando un corto circuito.

"Questa ricerca si aggiunge alla nostra conoscenza fondamentale del perché le batterie a stato solido si comportano in quel modo. Riteniamo che la nostra migliore comprensione aiuterà a informare gli approcci per evitare alcuni dei problemi all'anodo di litio metallico nelle celle a elettrolita solido, " ha commentato il Professor Peter G. Bruce dei Dipartimenti di Materiali e Chimica dell'Università di Oxford e Principal Investigator del progetto SOLBAT dell'Istituto di Faraday, il cui team ha condotto la ricerca.

La creazione di vuoto all'anodo delle celle a stato solido è stata a lungo riconosciuta, ma il loro ruolo nella formazione dei dendriti non è stato compreso. Lo studio utilizza una combinazione di tecniche elettrochimiche e di imaging all'avanguardia per formare una comprensione fondamentale della formazione del vuoto in funzione del ciclo e del suo ruolo nei dendriti e nell'insufficienza cellulare.

In modo significativo, i parametri nel modello di guasto sono correlati a proprietà fisiche chiave che potrebbero essere utilizzate come "leve" per sopprimere la formazione di vuoti e il guasto cellulare.

"È fondamentale abbattere le barriere scientifiche che impediscono la progressione verso il mercato di tecnologie che consentiranno la nostra visione del futuro della mobilità. Lo studio dei ricercatori di Oxford è uno dei primi esempi di un progresso scientifico che l'istituzione di Faraday è stata istituita per unità, " ha detto Tony Harper, Direttore dell'ISCF Faraday Battery Challenge presso UK Research &Innovation.

La ricerca:importanza della densità di corrente critica sullo stripping

Una sfida ben nota che gli scienziati che studiano le batterie a stato solido devono affrontare è prevenire la crescita dei dendriti mentre le batterie vengono fatte passare da uno stato carico a uno scarico (come dovrebbero ripetutamente fare se venissero utilizzate per alimentare i veicoli elettrici).

Un altro problema significativo è la formazione di vuoti tra l'elettrolita solido e l'anodo di litio (elettrodo caricato negativamente) durante lo stripping (scarica di una batteria), che porta a una ridotta area di contatto tra queste due parti della cella della batteria.

È difficile separare la placcatura al litio dallo stripping usando un esperimento con una cella di batteria contenente i soliti due elettrodi. In questo studio i ricercatori hanno utilizzato celle a tre elettrodi per studiare separatamente i processi di placcatura e sverniciatura del metallo di litio nell'interfaccia litio metallo/ceramica sul ciclo della batteria. Argirodite, Li6PS5Cl, è stato scelto come elettrolita solido. Tali solfuri hanno una conduttività più elevata degli ossidi e vengono perseguiti come elettrolita preferito da diverse aziende che tentano di commercializzare batterie allo stato solido. L'argirodite ha il vantaggio di essere meno fragile di altri solfuri altamente conduttivi.

I ricercatori hanno scoperto che se si deve evitare la formazione di dendriti nelle celle delle batterie a stato solido, è fondamentale far circolare le celle al di sotto della densità di corrente critica alla quale iniziano a formarsi vuoti sull'interfaccia litio metallo/elettrolita solido durante lo stripping del litio (CCS). Questo è il caso anche quando la densità di corrente è al di sotto della soglia per la formazione di dendriti sulla placcatura. Quando la densità di corrente è maggiore di CCS, i vuoti si accumulano pedalando, l'area di contatto litio/elettrolita solido diminuisce di conseguenza e di conseguenza la densità di corrente locale aumenta fino a raggiungere un valore in cui si formano dendriti sulla placcatura, provocando un cortocircuito e un guasto alla cella. Potrebbero essere necessari più cicli, ma la ricerca dimostra che il guasto delle cellule è inevitabile se la densità di corrente complessiva è maggiore di CCS. Questi risultati mostrano che non è solo la densità di corrente per la formazione dei dendriti che è importante per ottenere il ciclo di cellule a stato solido a densità di corrente pratiche; anche le correnti di stripping sono importanti.

I ricercatori concludono anche che lo scorrimento del litio metallico è il meccanismo principale di trasporto del metallo di litio all'interfaccia.

Il team che ha lavorato a questa scoperta includeva un mix di teorici e sperimentali, nel tipo di ambiente di ricerca multidisciplinare che l'Istituzione di Faraday promuove.

I premi dello sviluppo di una batteria commerciale a stato solido per veicoli elettrici

Piccolo, non ricaricabile, le batterie a stato solido stanno crescendo nell'uso commerciale, Per esempio, negli impianti medici come il monitoraggio cardiaco. Però, rimangono notevoli sfide associate sia alla fabbricazione di batterie a stato solido nella scala richiesta per l'uso nei veicoli elettrici, e per garantire che tali dispositivi funzionino in sicurezza ea livelli di prestazioni accettabili per tutta la vita del veicolo elettrico.

Le attuali batterie agli ioni di litio utilizzate nei veicoli elettrici contengono un elettrolita liquido organico infiammabile, attraverso il quale passano gli ioni di litio che trasportano la carica durante la carica e la scarica della batteria. Questo liquido presenta un problema di sicurezza intrinseco (anche se ben gestito). La sostituzione dell'elettrolita liquido con uno solido eliminerebbe questo rischio di incendio.

In tutto il mondo, vengono compiuti notevoli sforzi scientifici per sviluppare nuove sostanze chimiche delle batterie che raggiungano le prestazioni della batteria (densità di potenza e densità di energia) che darebbero un'esperienza di guida di veicoli elettrici in linea con le aspettative della guida di auto con motori a combustione interna. L'eliminazione della necessità di un elettrolita liquido sarebbe un prerequisito per lo sviluppo di batterie con un anodo di litio metallico, che potrebbe sbloccare significativi miglioramenti delle prestazioni.