I ricercatori hanno sviluppato un metodo di visualizzazione che determinerà la distribuzione dei componenti negli elettrodi della batteria utilizzando la microscopia a forza atomica. Il metodo fornisce informazioni sulle condizioni ottimali degli elettrodi compositi e ci avvicina di un passo alla produzione di batterie completamente allo stato solido di nuova generazione.

Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate nei dispositivi e nei veicoli intelligenti. Però, la loro infiammabilità li rende un problema di sicurezza, derivanti da potenziali perdite di elettroliti liquidi.

Le batterie agli ioni di litio a stato solido sono emerse come alternativa grazie alla loro migliore sicurezza e alla maggiore stabilità elettrochimica. Nonostante i loro vantaggi, le batterie agli ioni di litio a stato solido presentano ancora inconvenienti come conduttività ionica limitata, aree di contatto insufficienti, e un'elevata resistenza interfacciale tra l'elettrodo e l'elettrolita solido.

Per risolvere questi problemi, sono stati condotti studi su elettrodi compositi in cui gli additivi conduttori di ioni di litio sono dispersi come mezzo per fornire percorsi conduttivi ionici all'interfaccia e aumentare la conduttività ionica complessiva.

È molto importante identificare la forma e la distribuzione dei componenti utilizzati nei materiali attivi, conduttori di ioni, leganti, e additivi conduttivi su scala microscopica per migliorare significativamente le prestazioni di funzionamento della batteria.

Il metodo sviluppato è in grado di distinguere le regioni di ciascun componente in base alla sensibilità del segnale rilevato, utilizzando varie modalità di microscopia a forza atomica su base multiscala, compresa la microscopia a deformazione elettrochimica e la microscopia a forza laterale.

Per questo progetto di ricerca, sono stati testati sia gli elettrodi convenzionali che gli elettrodi compositi, e i risultati sono stati confrontati. Sono state distinte le singole regioni ed è stata determinata la correlazione su scala nanometrica tra la distribuzione della reattività ionica e la distribuzione della forza di attrito all'interno di una singola regione per esaminare l'effetto della distribuzione del legante sul ceppo elettrochimico.

Il team di ricerca ha esplorato l'ampiezza/fase della microscopia a deformazione elettrochimica e la dipendenza della forza di attrito della microscopia a forza laterale dalla tensione del convertitore di frequenza e dalla forza di carico della punta, e hanno usato le loro sensibilità come marcatori per ciascun componente nell'anodo composito.

Questo metodo consente l'osservazione multiscala diretta dell'elettrodo composito in condizioni ambientali, distinguere i vari componenti e misurarne contemporaneamente le proprietà.

L'autore principale, il dottor Hongjun Kim, ha affermato:"È facile preparare il campione di prova per l'osservazione fornendo una risoluzione spaziale e una risoluzione di intensità molto più elevate per i segnali rilevati". Ha aggiunto, "Il metodo ha anche il vantaggio di fornire informazioni sulla morfologia della superficie 3D per i campioni osservati".

Il professor Seungbum Hong del Dipartimento di scienze dei materiali e ingegneria ha dichiarato:"Questa tecnica analitica che utilizza la microscopia a forza atomica sarà utile per comprendere quantitativamente quale ruolo gioca ciascun componente di un materiale composito nelle proprietà finali".

"Il nostro metodo non solo suggerirà la nuova direzione per la progettazione di batterie a stato solido di prossima generazione su base multiscala, ma getterà anche le basi per l'innovazione nel processo di produzione di altri materiali elettrochimici".