I ricercatori dello Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST) hanno visualizzato la formazione di un'interfase di elettrolita solido su materiali di elettrodi carboniosi per batterie utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM) in situ. Ciò aiuterà i ricercatori a progettare e costruire batterie con prestazioni e durata più elevate.

Un'interfase di elettrolita solido (SEI) è un sottile strato di prodotti di riduzione dell'elettrolita formato sulla superficie dell'anodo di una batteria agli ioni di litio durante diversi cicli iniziali. Previene l'ulteriore decomposizione dell'elettrolito, stabilizzare l'interfaccia elettrodo/elettrolita, e garantisce una lunga durata della batteria. La formazione di un film SEI richiede tempo ed energia, e la sua qualità governa in gran parte le prestazioni e la durata della batteria:un SEI mal formato si traduce in un rapido degrado delle prestazioni della batteria.

Ancora, la formazione di SEI rimane poco compresa, e gli scienziati utilizzano la microscopia a forza atomica in situ che consente l'osservazione diretta di questo processo. Fino ad ora, la maggior parte di queste misurazioni sono state effettuate su grafite pirolitica altamente orientata (HOPG), una forma molto pura e ordinata di grafite che ha una superficie del piano basale pulita e atomicamente piatta. Però, HOPG è un sostituto scadente per i materiali degli elettrodi per batterie effettivi, quindi il processo è significativamente diverso da quello che accade all'interno di una batteria commerciale.

Un team Skoltech guidato dal ricercatore Sergey Luchkin e dal professor Keith Stevenson è riuscito a visualizzare la formazione di SEI su materiali per batterie. Per questo, dovevano progettare una cella elettrochimica che consentisse le misurazioni necessarie per questa osservazione diretta della formazione di SEI.

"I materiali per batterie sono polveri, e visualizzare i processi dinamici sulla loro superficie tramite AFM, soprattutto in un ambiente liquido, è impegnativo. Un elettrodo della batteria standard è troppo ruvido per tali misurazioni, e le particelle isolate tendono a staccarsi dal substrato durante la scansione. Per superare questo problema, abbiamo incorporato le particelle in resina epossidica e fatto una sezione trasversale, quindi le particelle erano saldamente fissate nel substrato, "dice Luckin.

I ricercatori hanno scoperto che il SEI su materiali per batterie ha nucleato a un potenziale diverso da quello su HOPG. Era anche più di due volte più spesso e meccanicamente più resistente. Finalmente, sono stati in grado di dimostrare che SEI era meglio legato con la superficie ruvida della grafite per batterie che con la superficie piatta di HOPG.

"Le indagini risolte spazialmente sulle interfacce delle batterie e sulle interfasi dettagliate in questo lavoro forniscono nuove e significative intuizioni sulla struttura e sull'evoluzione dell'anodo SEI. Pertanto, forniscono linee guida ferme per la progettazione razionale dell'elettrolita per consentire batterie ad alte prestazioni con una maggiore sicurezza, " aggiunge Stevenson.