I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno dimostrato che la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) può essere un potente strumento non distruttivo per studiare i meccanismi di degradazione delle batterie al litio metallico a stato solido. Hanno studiato batterie metalliche al litio completamente a stato solido a base ceramica preparate mediante deposizione di aerosol e riscaldamento, identificando l'interfaccia specifica responsabile del calo delle prestazioni. Pubblicato in Materiali applicati e interfacce ACS , il loro lavoro evidenzia accuratamente gli ostacoli ingegneristici che devono essere superati per portare sul mercato queste batterie di prima qualità.

I veicoli elettrici (EV) sono una parte cruciale degli sforzi in tutto il mondo per ridurre le emissioni di carbonio. E al centro di ogni veicolo elettrico c'è la sua batteria. Il design della batteria rimane un collo di bottiglia chiave quando si tratta di massimizzare l'autonomia di guida e migliorare la sicurezza del veicolo. Una delle soluzioni proposte, le batterie al litio metallico a stato solido, ha il potenziale per fornire maggiore densità di energia, sicurezza e minore complessità, ma i problemi tecnici continuano a ostacolarne il passaggio ai veicoli di tutti i giorni.

Un grosso problema è la grande resistenza interfacciale tra elettrodi ed elettroliti solidi. In molti modelli di batterie, sia i materiali catodici che quelli elettrolitici sono ceramiche fragili; questo rende difficile avere un buon contatto tra di loro. C'è anche la sfida di diagnosticare quale interfaccia sta effettivamente causando problemi. Lo studio del degrado delle batterie al litio metallico completamente a stato solido richiede generalmente di aprirle:questo rende impossibile scoprire cosa sta succedendo mentre la batteria è in funzione.

Un team guidato dal professor Kiyoshi Kanamura della Tokyo Metropolitan University ha sviluppato batterie interamente in metallo a stato solido con resistenza interfacciale inferiore utilizzando una tecnica chiamata deposizione di aerosol. Pezzi microscopici di materiale catodico vengono accelerati verso uno strato di materiale elettrolitico ceramico dove si scontrano e formano uno strato denso.

Per superare il problema delle cricche che si formano in caso di collisione, il team ha rivestito i pezzi di materiale catodico con un materiale "saldante", ovvero un materiale più morbido, a basso punto di fusione che può essere trattato termicamente per generare un contatto eccellente tra il catodo appena formato e elettrolita. La loro ultima Li/Li₇ a stato solido La₃ Zr₂ O₁₂ /LiCoO₂ cella fornisce un'elevata capacità di scarica iniziale di 128 mAh g ^-1 sia a 0,2 che a 60 °C e mantiene un'elevata capacità di ritenzione dell'87% dopo 30 cicli di carica/scarica. Questo è il risultato migliore della categoria per le batterie interamente in metallo Li a stato solido con elettroliti di ossido di ceramica, il che rende ancora più importante capire come potrebbero degradarsi.

Qui, il team ha utilizzato la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS), uno strumento diagnostico ampiamente utilizzato in elettrochimica. Interpretando il modo in cui la cella risponde a segnali elettrici di diversa frequenza, potrebbero separare le resistenze della gamma di diverse interfacce nella loro batteria. Nel caso della loro nuova cella, hanno scoperto che un aumento della resistenza tra il materiale del catodo e la saldatura era la ragione principale del decadimento della capacità della cella. È importante sottolineare che hanno raggiunto questo obiettivo senza lacerare la cellula. Sono stati anche in grado di eseguire il backup utilizzando la microscopia elettronica in situ, identificando chiaramente la rottura dell'interfaccia durante il ciclo.

Le innovazioni del team non solo hanno realizzato un design della batteria all'avanguardia, ma hanno evidenziato i prossimi passi per apportare ulteriori miglioramenti utilizzando un metodo ampiamente disponibile e privo di danni. Il loro nuovo paradigma promette nuovi entusiasmanti progressi per le batterie nella prossima generazione di veicoli elettrici. + Esplora ulteriormente

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