La corsa per produrre sicuro, le batterie al litio a stato solido potenti e convenienti stanno accelerando e i recenti annunci sulla ricerca rivoluzionaria che utilizza un elettrolita ceramico solido non infiammabile noto come granato hanno alcuni in gara che lo definiscono rivoluzionario.

"Questo è un cambiamento di paradigma nello stoccaggio di energia, "ha detto Kelsey Hatzell, professore assistente di ingegneria meccanica. Un articolo - "The Effect of Pore Connectivity on Li Dendrite Propagation Within LLZO Electrolytes Observed with Synchrotron X-ray Tomography" - che descrive la sua nuova ricerca sui punti di rottura di un elettrolita di granato è stato pubblicato online a marzo nell'American Chemical Society's Lettere di energia , che è stato tra gli articoli di ACS Letters più letti quel mese.

Le batterie agli ioni di litio in genere contengono un elettrolita organico liquido che può prendere fuoco. Il rischio di incendio viene eliminato mediante l'uso di un elettrolita a base di granato non infiammabile. La sostituzione degli elettroliti liquidi con un solido organico come il granato riduce anche potenzialmente il costo aumentando la durata della batteria.

"Le batterie a stato solido sono desiderabili per i veicoli completamente elettrici e altre applicazioni in cui l'accumulo di energia e la sicurezza sono fondamentali, "Ha detto Hatzell.

Il team di Hatzell ha testato Li ₇ La ₃ Zr ₂ oh ₁₂ – Litio lantanio Ossido di zirconio o LLZO – un materiale di tipo granato che mostra grandi promesse per tutte le applicazioni con batterie a stato solido grazie alla sua elevata conduttività agli ioni di litio e alla sua compatibilità con il metallo di litio.

"Comprendere i meccanismi di guasto all'interno di questi sistemi di elettroliti è fondamentale per la progettazione di sistemi di elettroliti solidi resilienti, " ha detto Hatzell. "Il limite principale di LLZO è la propensione per eventi di cortocircuito a bassa densità di corrente".

Lo studio di Hatzell tiene traccia dei cambiamenti strutturali in LLZO dopo eventi di carica e scarica realistici utilizzando la tomografia a raggi X di sincrotrone. Questa tecnica consente ai ricercatori di guardare all'interno della batteria e visualizzare le caratteristiche strutturali 3D con risoluzioni inferiori al micron.

"La maggior parte delle tecniche che visualizzano il litio in un elettrolita solido vengono eseguite in modo distruttivo o ex situ utilizzando tecniche di scansione elettronica o di microscopia ottica. Testare il materiale in condizioni più realistiche utilizzando strumenti di sincrotrone ci consente di sondare interfacce sepolte, " disse Hatzell, i cui coautori sono Fengyu Shen, uno studioso post-dottorato, e gli studenti laureati Xianghui Xiao e Marm Dixit.

"Ci sono solo una manciata di sincrotroni e sorgenti di neutroni che esistono nel mondo. Marm è stato uno dei 60 studenti laureati selezionati per la National School on Neutron and X-ray Scattering 2017. "Come parte di questo programma ha trascorso una settimana a Oak Ridge National Lab e una settimana all'Argonne National Lab, "Ha detto Hatzell.

Advanced Photon Source di Argonne e Spallation Neutron Source di ORNL e High Flux Isotope Reactor consentono lo studio su nanoscala di materiali e interazioni avanzati. Dixit è stato in grado di lavorare e apprendere tecniche di caratterizzazione del sincrotrone da importanti scienziati ed esperti. Il team di Hatzell ha condotto tutti i suoi test ad Argonne.

"Questi risultati possono potenzialmente informare la progettazione dei materiali per la prossima generazione di tutti i sistemi di batterie a stato solido. I risultati hanno concluso che la presenza di vuoti o pori collegati ha portato a un tasso di guasto più elevato, "Ha detto Hatzell.

"Anche se c'è ancora molta ricerca da fare per portare sul mercato dispositivi a stato solido, la loro promessa di applicazioni in batterie ad alta densità di energia e applicazioni per veicoli elettrici sta suscitando molto interesse in tutto il mondo".