Il prof. Ma Cheng della University of Science and Technology of China (USTC) e i suoi collaboratori hanno proposto una strategia efficace per affrontare il problema del contatto elettrodo-elettrolita che sta limitando lo sviluppo delle batterie al litio a stato solido di prossima generazione. L'elettrodo composito solido-solido creato in questo modo ha mostrato capacità e prestazioni eccezionali.

La sostituzione dell'elettrolita liquido organico nelle batterie convenzionali agli ioni di litio con elettroliti solidi può alleviare notevolmente i problemi di sicurezza, e potenzialmente rompere il "soffitto di vetro" per il miglioramento della densità energetica. Però, anche i materiali degli elettrodi tradizionali sono solidi. Poiché il contatto tra due solidi è quasi impossibile essere così intimo come quello tra solido e liquido, attualmente le batterie a base di elettroliti solidi presentano tipicamente uno scarso contatto elettrodo-elettrolita e prestazioni a cella piena insoddisfacenti.

"Il problema del contatto elettrodo-elettrolita delle batterie allo stato solido è un po' come la doga più corta di un barile di legno, " ha affermato il prof. Ma Cheng dell'USTC, l'autore principale dello studio. "In realtà, in questi anni i ricercatori hanno già sviluppato molti ottimi elettrodi ed elettroliti solidi, ma lo scarso contatto tra di loro sta ancora limitando l'efficienza del trasporto agli ioni di litio".

Fortunatamente, La strategia di Ma può superare questa formidabile sfida. Lo studio è iniziato con l'esame atomo per atomo di una fase di impurità in un prototipo, elettrolita solido strutturato in perovskite. Sebbene la struttura cristallina differisse notevolmente tra l'impurità e l'elettrolita solido, sono stati osservati per formare interfacce epitassiali. Dopo una serie di dettagliate analisi strutturali e chimiche, i ricercatori hanno scoperto che la fase di impurità è isostrutturale con gli elettrodi a strati ricchi di litio ad alta capacità. Vale a dire, un prototipo di elettrolita solido può cristallizzare sul "modello" formato dalla struttura atomica di un elettrodo ad alte prestazioni, risultando in interfacce atomicamente intime.

"Questa è davvero una sorpresa, " disse il primo autore Li Fuzhen, che è attualmente uno studente laureato dell'USTC. "La presenza di impurità nel materiale è in realtà un fenomeno molto comune, così comuni che la maggior parte delle volte verranno ignorati. Però, dopo averli osservati da vicino, abbiamo scoperto questo comportamento epitassiale inaspettato, e ha ispirato direttamente la nostra strategia per migliorare il contatto solido-solido."

Approfittando del fenomeno osservato, i ricercatori hanno intenzionalmente cristallizzato la polvere amorfa con la stessa composizione dell'elettrolita solido strutturato in perovskite sulla superficie di un composto stratificato ricco di litio, e realizzato con successo un accurato, contatto senza soluzione di continuità tra questi due materiali solidi in un elettrodo composito. Risolto il problema del contatto elettrodo-elettrolita, un tale elettrodo composito solido-solido forniva una capacità di velocità persino paragonabile a quella di un elettrodo composito solido-liquido. Ma ancora più importante, i ricercatori hanno anche scoperto che questo tipo di contatto solido-solido epitassiale può tollerare grandi disallineamenti del reticolo, e quindi la strategia che hanno proposto potrebbe essere applicabile anche a molti altri elettroliti solidi di perovskite ed elettrodi a strati.

"Questo lavoro ha indicato una direzione che vale la pena perseguire, "Ma ha detto. "Applicare il principio qui sollevato ad altri materiali importanti potrebbe portare a prestazioni cellulari ancora migliori ea una scienza più interessante. Non vediamo l'ora." I ricercatori intendono continuare la loro esplorazione in questa direzione, e applicare la strategia proposta ad altri ad alta capacità, catodi ad alto potenziale.

Lo studio è pubblicato su Questione , un giornale di Cell Press, intitolato "Contatto atomico intimo tra elettroliti solidi ed elettrodi per batterie al litio".