C'è un vecchio detto:"Devi imparare a camminare prima di imparare a correre". Nonostante tale saggezza, numerose industrie saltano le basi e si iscrivono invece alle maratone, compreso il settore delle batterie.

Le batterie agli ioni di litio promettono un'incredibile capacità di archiviazione, ma sono volatili. Abbiamo tutti sentito le notizie sulle batterie agli ioni di litio nei telefoni, in particolare il Samsung Galaxy 7, che causano l'incendio dei telefoni.

Gran parte del problema deriva dall'uso di elettrolita liquido infiammabile all'interno della batteria. Un approccio consiste nell'utilizzare un elettrolita solido non infiammabile insieme a un elettrodo di litio metallico. Ciò aumenterebbe l'energia della batteria riducendo allo stesso tempo la possibilità di un incendio.

Essenzialmente, la destinazione è costruire batterie a stato solido di prossima generazione che non esplodano. Il viaggio è capire fondamentalmente il litio.

"Tutti stanno solo guardando i componenti di accumulo di energia della batteria, "dice Erik Herbert, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Michigan Technological University. "Pochissimi gruppi di ricerca sono interessati a comprendere gli elementi meccanici. Ma in basso ed ecco, stiamo scoprendo che le proprietà meccaniche del litio stesso potrebbero essere il pezzo chiave del puzzle".

I ricercatori del Michigan Tech contribuiscono in modo significativo all'acquisizione di una comprensione fondamentale del litio con i risultati pubblicati oggi in una serie di tre articoli su invito nel Journal of Materials Research, pubblicato congiuntamente dalla Materials Research Society e dalla Cambridge University Press. Herbert e Stephen Hackney, professore di scienze e ingegneria dei materiali, insieme a Violet Thole, uno studente laureato alla Michigan Tech, Nancy Dudney all'Oak Ridge National Laboratory e Sudharshan Phani all'International Advanced Research Center for Powder Metallurgy and New Materials, condividere risultati che sottolineano l'importanza del comportamento meccanico del litio nel controllo delle prestazioni e della sicurezza delle batterie di prossima generazione.

Come un ciclo di gelo-disgelo che danneggia il calcestruzzo, i dendriti di litio danneggiano le batterie

Il litio è un metallo estremamente reattivo, che lo rende incline a comportamenti scorretti. Ma è anche molto bravo a immagazzinare energia. Vogliamo i nostri telefoni (e computer, tablet e altri dispositivi elettronici) per ricaricare il più rapidamente possibile, e quindi i produttori di batterie devono affrontare una doppia pressione:creare batterie che si caricano molto rapidamente, passare una carica tra il catodo e l'anodo il più velocemente possibile, e rendere le batterie affidabili nonostante vengano caricate ripetutamente.

Il litio è un metallo molto tenero, ma non si comporta come previsto durante il funzionamento a batteria. La pressione crescente che si verifica inestricabilmente durante la carica e la scarica di una batteria provoca dita microscopiche di litio chiamate dendriti per riempire difetti microscopici preesistenti e inevitabili:scanalature, pori e graffi, all'interfaccia tra l'anodo di litio e il separatore di elettrolita solido.

Durante il ciclo continuato, questi dendriti possono farsi strada dentro, e alla fine attraverso, lo strato di elettrolita solido che separa fisicamente l'anodo e il catodo. Una volta che un dendrite raggiunge il catodo, il dispositivo va in cortocircuito e si guasta, spesso in modo catastrofico. La ricerca di Herbert e Hackney si concentra su come il litio mitiga la pressione che si sviluppa naturalmente durante la carica e la scarica di una batteria a stato solido.

Il loro lavoro documenta il notevole comportamento del litio su scale di lunghezza inferiori al micron, scavando negli attributi più piccoli e probabilmente più sconcertanti del litio. Intaccando le pellicole di litio con una sonda con punta di diamante per deformare il metallo, i ricercatori esplorano come il metallo reagisce alla pressione. I loro risultati confermano la forza inaspettatamente elevata del litio su scale di piccola lunghezza segnalata all'inizio di quest'anno dai ricercatori del Cal Tech.

Herbert e Hackney si basano su quella ricerca fornendo l'inaugurazione, spiegazione meccanica della resistenza sorprendentemente elevata del litio.

La capacità del litio di diffondere o riorganizzare i propri atomi o ioni nel tentativo di alleviare la pressione imposta dalla punta del penetratore, ha mostrato ai ricercatori l'importanza della velocità con cui il litio si deforma (che è correlato alla velocità con cui le batterie vengono caricate e scaricate), così come gli effetti di difetti e deviazioni nella disposizione degli ioni di litio che compongono l'anodo.

Eseguire il drill-down per comprendere il comportamento del litio

Nell'articolo "Nanoindentazione di film di litio depositati da vapore ad alta purezza:modulo elastico, " i ricercatori misurano le proprietà elastiche del litio per riflettere i cambiamenti nell'orientamento fisico degli ioni di litio. Questi risultati sottolineano la necessità di incorporare le proprietà elastiche dipendenti dall'orientamento del litio in tutti i futuri lavori di simulazione. Herbert e Hackney forniscono anche prove sperimentali che indicano che il litio potrebbe avere una maggiore capacità di trasformare l'energia meccanica in calore su scale di lunghezza inferiori a 500 nanometri.

Nell'articolo che segue, "Nanoindentazione di film di litio depositati da vapore ad alta purezza:una razionalizzazione meccanicistica del flusso mediato dalla diffusione, " Herbert e Hackney documentano l'elevata resistenza del litio su scale di lunghezza inferiori a 500 nanometri, e forniscono la loro struttura originale, che mira a spiegare come la capacità del litio di gestire la pressione sia controllata dalla diffusione e dalla velocità con cui il materiale si deforma.

Finalmente, in "Nanoindentazione di film di litio depositati da vapore ad alta purezza:una razionalizzazione meccanicistica della transizione dalla diffusione al flusso mediato dalla dislocazione, Gli autori forniscono un modello statistico che spiega le condizioni in cui il litio subisce un brusco passaggio che ne facilita ulteriormente la capacità di alleviare la pressione. Forniscono inoltre un modello che collega direttamente il comportamento meccanico del litio alle prestazioni della batteria.

"Stiamo cercando di capire i meccanismi con cui il litio allevia la pressione su scale di lunghezza commisurate ai difetti dell'interfaccia, " dice Herbert. Migliorare la nostra comprensione di questo problema fondamentale consentirà direttamente lo sviluppo di un'interfaccia stabile che promuova la sicurezza, prestazioni ciclistiche a lungo termine e ad alta velocità.

Dice Herbert:"Spero che il nostro lavoro abbia un impatto significativo sulla direzione che prendono le persone che cercano di sviluppare dispositivi di archiviazione di nuova generazione".