Le batterie allo stato solido potrebbero svolgere un ruolo chiave nei veicoli elettrici, promettendo una ricarica più rapida, una maggiore autonomia e una maggiore durata rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Ma le attuali tecniche di produzione e lavorazione dei materiali lasciano le batterie a stato solido soggette a guasti. Ora, i ricercatori hanno scoperto un difetto nascosto dietro i fallimenti. Il passo successivo è progettare materiali e tecniche che tengano conto di questi difetti e produrre batterie di nuova generazione.

In una batteria allo stato solido, le particelle cariche chiamate ioni si muovono attraverso la batteria all'interno di un materiale solido, a differenza delle tradizionali batterie agli ioni di litio, in cui gli ioni si muovono in un liquido. Le celle allo stato solido offrono vantaggi, ma variazioni locali o piccoli difetti nel materiale solido possono causare l'usura o il cortocircuito della batteria, secondo le nuove scoperte.

"Un materiale uniforme è importante", ha affermato il ricercatore capo Kelsey Hatzell, assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e dell'Andlinger Center for Energy and the Environment. "Vuoi che gli ioni si muovano alla stessa velocità in ogni punto dello spazio."

In un articolo pubblicato il 1 settembre sulla rivista Nature Materials , Hatzell e coautori hanno spiegato come hanno utilizzato strumenti ad alta tecnologia presso l'Argonne National Laboratory per esaminare e tenere traccia dei cambiamenti dei materiali su scala nanometrica all'interno di una batteria mentre effettivamente caricano e scaricano la batteria. Il team di ricerca, che rappresenta Princeton Engineering, Vanderbilt, Argonne e Oak Ridge National Labs, ha esaminato i grani costituiti da cristalli nell'elettrolita solido della batteria, la parte centrale della batteria attraverso la quale si muove la carica elettrica. I ricercatori hanno concluso che le irregolarità tra i grani possono accelerare il guasto della batteria spostando gli ioni più velocemente in una regione della batteria rispetto a un'altra. L'adeguamento degli approcci di lavorazione e produzione dei materiali potrebbe aiutare a risolvere i problemi di affidabilità delle batterie.

Le batterie immagazzinano energia elettrica nei materiali che compongono i suoi elettrodi:l'anodo (l'estremità di una batteria contrassegnata dal segno meno) e il catodo (l'estremità della batteria contrassegnata dal segno più). Quando la batteria scarica energia per alimentare un'auto o uno smartphone, le particelle cariche (chiamate ioni) si spostano attraverso la batteria fino al catodo (l'estremità +). L'elettrolita, solido o liquido, è il percorso intrapreso dagli ioni tra l'anodo e il catodo. Senza un elettrolita gli ioni non possono muoversi e immagazzinare energia nell'anodo e nel catodo.

In una batteria a stato solido, l'elettrolito è tipicamente una ceramica o un vetro denso. Le batterie allo stato solido con elettrolita solido possono consentire materiali più densi di energia (ad esempio litio metallico) e rendere le batterie più leggere e più piccole. Peso, volume e capacità di carica sono fattori chiave per le applicazioni di trasporto come i veicoli elettrici. Le batterie allo stato solido dovrebbero inoltre essere più sicure e meno soggette a incendi rispetto ad altre forme.

Gli ingegneri sapevano che le batterie a stato solido sono soggette a guasti all'elettrolita, ma i guasti sembravano verificarsi casualmente. Hatzell e co-ricercatori sospettavano che i guasti potessero non essere casuali ma in realtà causati da cambiamenti nella struttura cristallina dell'elettrolita. Per esplorare questa ipotesi, i ricercatori hanno utilizzato il sincrotrone dell'Argonne National Lab per produrre potenti raggi X che hanno permesso loro di esaminare la batteria durante il funzionamento. Hanno combinato l'imaging a raggi X e le tecniche di diffrazione ad alta energia per studiare la struttura cristallina di un elettrolita granato su scala angstrom, all'incirca delle dimensioni di un singolo atomo. Ciò ha permesso ai ricercatori di studiare i cambiamenti nel granato a livello di cristallo.

Un elettrolita granato è costituito da un insieme di elementi costitutivi noti come grani. In un singolo elettrolita (1 mm di diametro) ci sono quasi 30.000 grani diversi. I ricercatori hanno scoperto che tra i 30.000 grani c'erano due disposizioni strutturali predominanti. Queste due strutture muovono gli ioni a velocità variabili. Inoltre, queste diverse forme o strutture "possono portare a gradienti di stress che portano gli ioni a muoversi in direzioni diverse e gli ioni evitano parti della cellula", ha affermato Hatzell.

Ha paragonato il movimento degli ioni carichi attraverso la batteria all'acqua che si muove lungo un fiume e incontra una roccia che reindirizza l'acqua. Le aree in cui si muovono quantità elevate di ioni tendono ad avere livelli di stress più elevati.

"Se tutti gli ioni vanno in una posizione, causerà un rapido fallimento", ha detto Hatzell. "Dobbiamo avere il controllo su dove e come si muovono gli ioni negli elettroliti per costruire batterie che durino per migliaia di cicli di carica."

Hatzell ha affermato che dovrebbe essere possibile controllare l'uniformità dei grani attraverso tecniche di produzione e aggiungendo piccole quantità di diverse sostanze chimiche chiamate droganti per stabilizzare le forme cristalline negli elettroliti.

"Abbiamo molte ipotesi non testate su come evitare queste eterogeneità", ha detto. "Sarà sicuramente impegnativo, ma non impossibile."

L'articolo, "Polymorphism of Garnet Solid Electrolytes and its Implications on Grain Level Chemo-Mechanics", è stato pubblicato sulla rivista Nature Materials . + Esplora ulteriormente

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