I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo per migliorare l'efficienza delle batterie agli ioni di litio. Attraverso la crescita di uno strato di cristallo cubico, gli scienziati hanno creato un sottile, strato di collegamento denso tra gli elettrodi della batteria. Il professor Nobuyuki Zettsu e il professor Katsuya Teshima hanno condotto la ricerca. Gli autori hanno pubblicato i loro risultati in Rapporti scientifici .

"A causa di alcune caratteristiche intrinseche degli elettroliti liquidi, come il basso numero di trasporto di litio, reazione complessa all'interfaccia solido/liquido, e instabilità termica, non è stato possibile ottenere contemporaneamente energia e potenza elevate in nessuno degli attuali dispositivi elettrochimici, " disse Nobuyuki Zettsu, come primo autore della carta.

Le batterie agli ioni di litio sono ricaricabili e alimentano dispositivi come telefoni cellulari, computer portatili, utensili elettrici, e persino immagazzinare energia per la rete elettrica. Sono particolarmente sensibili ai flussi di temperatura, e sono noti per causare incendi o addirittura esplosioni. In risposta ai problemi con gli elettroliti liquidi, gli scienziati stanno lavorando allo sviluppo di una migliore batteria a stato solido senza liquidi.

"Nonostante i vantaggi attesi dalle batterie completamente allo stato solido, le loro caratteristiche di potenza e densità di energia devono essere migliorate per consentire la loro applicazione in tecnologie come i veicoli elettrici a lungo raggio, " Ha detto Zettsu. "Le capacità a bassa velocità e le basse densità di energia delle batterie completamente allo stato solido sono in parte dovute alla mancanza di adeguate tecnologie di formazione di interfacce eterogenee solido-solido che mostrano un'elevata conduttività iconica paragonabile ai sistemi di elettroliti liquidi".

Zettsu e il suo team hanno coltivato cristalli di elettrolita solido di ossido di tipo granato in LiOH fuso usato come solvente (flusso) su un substrato che ha legato l'elettrodo in uno stato solido mentre cresceva. Uno specifico composto cristallino noto per la sua crescita cubica ha permesso ai ricercatori di controllare lo spessore e l'area di connessione all'interno dello strato, che funge da separatore ceramico.

"Le osservazioni al microscopio elettronico hanno rivelato che la superficie è densamente ricoperta da cristalli poliedrici ben definiti. Ogni cristallo è collegato a quelli vicini, " ha scritto Zettsu.

Zettsu ha anche affermato che lo strato di cristallo appena cresciuto potrebbe essere il separatore ceramico ideale quando si impila lo strato di elettrolita sullo strato di elettrodo.

"Riteniamo che il nostro approccio avente robustezza contro le reazioni collaterali all'interfaccia potrebbe portare alla produzione di separatori ceramici ideali con un'interfaccia sottile e densa, " ha scritto Zettsu, notando che le ceramiche utilizzate in questo particolare esperimento erano troppo spesse per essere utilizzate in batterie solide. "Però, purché lo strato dell'elettrodo possa essere sottile fino a 100 micron, lo strato di impilamento funzionerà come una batteria solida."

Cento micron sono circa la larghezza di un capello umano, e poco meno del doppio dello spessore di uno strato di elettrodi standard nelle attuali batterie agli ioni di litio. "Le batterie a stato solido sono candidati promettenti per i dispositivi di accumulo di energia, "Zettsu ha detto, rilevando che sono già in corso diverse collaborazioni tra ricercatori e aziende private con l'obiettivo finale di mostrare campioni di batterie completamente allo stato solido ai giochi olimpici del 2020 a Tokyo.

Zettsu e altri ricercatori hanno in programma di fabbricare prototipi di celle per l'uso di veicoli elettrici e per dispositivi indossabili entro il 2022.