La formazione dei dendriti di litio è ancora un mistero, ma gli ingegneri dei materiali studiano le condizioni che abilitano i dendriti e come fermarli.

Storicamente, come decenni fa, le batterie ricaricabili al litio metallico erano pericolose. Queste batterie sono state rapidamente abbandonate a favore delle batterie agli ioni di litio che non contengono litio metallico e sono ora ampiamente utilizzate. Nel tentativo di continuare ad aumentare la densità energetica e ridurre i costi, stiamo nuovamente esplorando come utilizzare in modo efficiente e sicuro il litio metallico nelle batterie. batterie allo stato solido, privo di liquidi infiammabili, potrebbe essere la soluzione. Però, il progresso è stato rallentato perché il metallo di litio trova ancora un modo per cortocircuitare la batteria e limitare la durata del ciclo.

Le batterie al litio a stato solido sono il Santo Graal dell'accumulo di energia. Con potenziali impatti su tutto, dai dispositivi mobili personali alle energie rinnovabili industriali, vale la pena superare le difficoltà. L'obiettivo:costruire una batteria al litio sicura e di lunga durata. La sfida:utilizzare un elettrolita allo stato solido e fermare il corto circuito dovuto alla formazione e alla crescita dei dendriti di litio.

In un nuovo articolo su invito pubblicato su Giornale di ricerca sui materiali , gli ingegneri dei materiali della Michigan Technological University intervengono sul problema. La loro interpretazione è insolita. Si concentrano sulla meccanica unica del litio a dimensioni che sono una frazione del diametro dei capelli sulla tua testa, scale molto più piccole di quanto la maggior parte degli altri consideri.

"La gente pensa che il litio sia morbido come il burro, quindi come può avere la forza di penetrare attraverso un separatore ceramico di elettroliti solidi?" chiese Erik Herbert, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Michigan Tech e uno dei responsabili dello studio. Dice che la risposta non è intuitiva:più piccolo è più forte. Piccoli difetti fisici come micro crepe, pori o rugosità superficiale inevitabilmente esistono all'interfaccia tra un anodo di litio e un separatore di elettrolita solido. Zoomando sulla meccanica del metallo di litio su scale di lunghezza commisurate a quei minuscoli difetti dell'interfaccia, si scopre che il litio è molto più forte di quanto non lo sia su scale macroscopiche o di massa.

"Il litio non ama lo stress più di quanto a me o a te piaccia lo stress, quindi sta solo cercando di capire come far andare via la pressione, "Ha detto Herbert. "Quello che stiamo dicendo è che a piccole scale di lunghezza, dove è improbabile che il litio abbia accesso al meccanismo normale che utilizzerebbe per alleviare la pressione, deve fare affidamento su altro, metodi meno efficienti per alleviare lo stress."

In ogni metallo cristallino come il litio, sono necessari difetti a livello atomico chiamati dislocazioni per alleviare quantità significative di stress. A scale di lunghezza macroscopiche o alla rinfusa, le dislocazioni eliminano lo stress in modo efficiente perché consentono ai piani adiacenti di atomi di scorrere facilmente l'uno sull'altro come un mazzo di carte. Però, a piccole scale e temperature elevate rispetto al punto di fusione del metallo, la possibilità di trovare dislocazioni all'interno del volume sollecitato è molto bassa. In queste condizioni, il metallo deve trovare un altro modo per alleviare la pressione. Per il litio, ciò significa passare alla diffusione. Lo stress spinge gli atomi di litio lontano dal volume stressato, come essere trasportati su una passerella atomica di un aeroporto. Rispetto al movimento di dislocazione, la diffusione è molto inefficiente. Ciò significa che su scale di piccola lunghezza, dove la diffusione controlla la riduzione dello stress piuttosto che il movimento di dislocazione, il litio può sopportare più di 100 volte più stress o pressione di quanto non possa su scale di lunghezza macroscopiche.

Possono verificarsi problemi catastrofici in ciò che Herbert e il suo co-protagonista, Professore MTU Stephen Hackney, chiamare la zona di pericolo del difetto. La zona è una finestra delle dimensioni del difetto fisico definita dalla competizione di distensione tra diffusione e movimento di dislocazione. Lo scenario peggiore è un difetto dell'interfaccia fisica (un micro crack, pori o rugosità superficiale) che è troppo grande per un'efficace distensione mediante diffusione ma troppo piccola per consentire la distensione mediante movimento di dislocazione. In questo problema inverso di Riccioli d'oro, sollecitazioni elevate all'interno del litio possono causare il guasto catastrofico dell'elettrolita solido e dell'intera batteria. interessante, la dimensione della zona di pericolo è la stessa dimensione dei dendriti di litio osservati.

"Gli elettroliti a stato solido molto sottili e le elevate densità di corrente necessarie per fornire la potenza della batteria e i brevi tempi di ricarica previsti dai consumatori sono condizioni che favoriscono il guasto del dendrite di litio, quindi il problema dei dendriti deve essere risolto affinché la tecnologia possa progredire, " Hackney ha detto. "Ma per rendere praticabile la tecnologia a stato solido, la capacità di alimentazione e le limitazioni della durata del ciclo devono essere affrontate. Certo, il primo passo per risolvere il problema è capire la causa principale, che è quello che stiamo cercando di fare con questo lavoro attuale".

Hackney sottolinea che il concetto più piccolo è più forte non è nuovo. Gli ingegneri dei materiali hanno studiato l'effetto della scala di lunghezza sul comportamento meccanico sin dagli anni '50, sebbene non sia stato ampiamente utilizzato nel considerare il problema del dendrite di litio e dell'elettrolita solido.

"Pensiamo che questo paradigma "più piccolo è più forte" sia direttamente applicabile alla dimensione del dendrite di litio osservata, ed è confermato dai nostri esperimenti su molto pulito, film spessi di Li a velocità di deformazione rilevanti per l'inizio dell'instabilità dei dendriti durante la carica, "Hackney ha detto.

Per esaminare rigorosamente la loro ipotesi, Herbert e Hackney eseguono esperimenti di nanoindentazione in pellicole di litio ad alta purezza prodotte da un ricercatore di prim'ordine, Nancy Dudney dell'Oak Ridge National Laboratory.

"Le proprietà di massa del litio metallico sono ben caratterizzate, ma questo potrebbe non essere rilevante alla scala dei difetti e delle distribuzioni di corrente disomogenee che probabilmente agiscono in batterie a stato solido molto sottili, " Dudney ha detto. "Il modello presentato in questo documento è il primo a mappare le condizioni in cui il litio molto più forte avrà un impatto sulle prestazioni del ciclo di vita. Questo guiderà le future indagini sugli elettroliti solidi e sui design delle batterie".

Tra i prossimi passi della squadra, intendono esaminare gli effetti della temperatura e dei cicli elettrochimici sul comportamento meccanico del litio su scale di piccola lunghezza. Ciò li aiuterà a comprendere meglio le condizioni e le strategie del mondo reale per rendere le batterie di prossima generazione immuni alla formazione e alla crescita dei dendriti di litio.