Utilizzando la tomografia a raggi X, un team di ricerca ha osservato l'evoluzione interna dei materiali all'interno delle batterie al litio a stato solido mentre venivano caricate e scaricate. Informazioni tridimensionali dettagliate dalla ricerca potrebbero aiutare a migliorare l'affidabilità e le prestazioni delle batterie, che utilizzano materiali solidi per sostituire gli elettroliti liquidi infiammabili nelle batterie agli ioni di litio esistenti.

La microtomografia computerizzata a raggi X operando di sincrotrone ha rivelato come i cambiamenti dinamici dei materiali degli elettrodi nelle interfacce litio/elettrolita solido determinano il comportamento delle batterie allo stato solido. I ricercatori hanno scoperto che il funzionamento a batteria causava la formazione di vuoti nell'interfaccia, che ha creato una perdita di contatto che è stata la causa principale di guasto nelle cellule.

"Questo lavoro fornisce una comprensione fondamentale di ciò che sta accadendo all'interno della batteria, e che le informazioni dovrebbero essere importanti per guidare gli sforzi ingegneristici che avvicineranno queste batterie alla realtà commerciale nei prossimi anni, " ha detto Matthew McDowell, un assistente professore presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering e la School of Materials Science and Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Siamo stati in grado di capire esattamente come e dove si formano i vuoti nell'interfaccia, e poi metterlo in relazione con le prestazioni della batteria."

La ricerca, sostenuto dalla National Science Foundation, una borsa di studio di ricerca Sloan, e l'Ufficio per la Ricerca Scientifica dell'Aeronautica Militare, sarà riportato il 28 gennaio sulla rivista Materiali della natura .

Le batterie agli ioni di litio ora ampiamente utilizzate per qualsiasi cosa, dall'elettronica mobile ai veicoli elettrici, si basano su un elettrolita liquido per trasportare gli ioni avanti e indietro tra gli elettrodi all'interno della batteria durante i cicli di carica e scarica. Il liquido ricopre uniformemente gli elettrodi, permettendo il libero movimento degli ioni.

La tecnologia delle batterie a stato solido in rapida evoluzione utilizza invece un elettrolita solido, che dovrebbe contribuire ad aumentare la densità energetica e migliorare la sicurezza delle batterie future. Ma la rimozione del litio dagli elettrodi può creare vuoti nelle interfacce che causano problemi di affidabilità che limitano il tempo di funzionamento delle batterie.

"Per contrastare questo, potresti immaginare di creare interfacce strutturate attraverso diversi processi di deposizione per cercare di mantenere il contatto attraverso il processo ciclico, " ha detto McDowell. "Un attento controllo e ingegneria di queste strutture di interfaccia sarà molto importante per il futuro sviluppo delle batterie a stato solido, e quello che abbiamo imparato qui potrebbe aiutarci a progettare interfacce."

Il team di ricerca della Georgia Tech, guidato dal primo autore e studente laureato Jack Lewis, costruito speciali celle di prova larghe circa due millimetri che sono state progettate per essere studiate all'Advanced Photon Source, un impianto di sincrotrone presso l'Argonne National Laboratory, una struttura dell'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti situata vicino a Chicago. Quattro membri del team hanno studiato i cambiamenti nella struttura della batteria durante un periodo di cinque giorni di esperimenti intensivi.

"Lo strumento prende immagini da diverse direzioni, e li ricostruisci utilizzando algoritmi informatici per fornire immagini 3D delle batterie nel tempo, " ha detto McDowell. "Abbiamo fatto questo imaging mentre stavamo caricando e scaricando le batterie per visualizzare come le cose stavano cambiando all'interno delle batterie mentre funzionavano".

Perché il litio è così leggero, l'imaging con i raggi X può essere impegnativo e ha richiesto un design speciale delle celle della batteria di prova. La tecnologia utilizzata ad Argonne è simile a quella utilizzata per le scansioni di tomografia computerizzata (TC) medica. "Invece di immaginare le persone, stavamo immaginando le batterie, " Egli ha detto.

A causa delle limitazioni nei test, i ricercatori sono stati in grado di osservare la struttura delle batterie solo attraverso un singolo ciclo. Nel lavoro futuro, McDowell vorrebbe vedere cosa succede nei cicli aggiuntivi, e se la struttura si adatta in qualche modo alla creazione e al riempimento dei vuoti. I ricercatori ritengono che i risultati si applicherebbero probabilmente ad altre formulazioni di elettroliti, e che la tecnica di caratterizzazione potrebbe essere utilizzata per ottenere informazioni su altri processi della batteria.

I pacchi batteria per veicoli elettrici devono resistere ad almeno un migliaio di cicli durante un previsto 150, vita di 000 miglia. Mentre le batterie a stato solido con elettrodi metallici al litio possono offrire più energia per una determinata dimensione della batteria, quel vantaggio non supererà la tecnologia esistente a meno che non possano fornire vite comparabili.

"Siamo molto entusiasti delle prospettive tecnologiche per le batterie a stato solido, " ha detto McDowell. "C'è un notevole interesse commerciale e scientifico in questo settore, e le informazioni provenienti da questo studio dovrebbero aiutare a far avanzare questa tecnologia verso ampie applicazioni commerciali".