L'ultima generazione di batterie agli ioni di litio ora in fase di sviluppo promette una rivoluzione nell'alimentazione di telefoni cellulari, veicoli elettrici, laptop e una miriade di altri dispositivi. Dotate di tutti i componenti a stato solido e non infiammabili, le nuove batterie sono più leggere, mantengono la carica più a lungo, si ricaricano più velocemente e sono più sicure da usare rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio, che contengono un gel che può prendere fuoco.

Tuttavia, come tutte le batterie, le batterie agli ioni di litio a stato solido presentano uno svantaggio:a causa delle interazioni elettrochimiche, l'impedenza, l'analogo CA della resistenza elettrica CC, può accumularsi all'interno delle batterie, limitando il flusso di corrente elettrica. I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno ora individuato il luogo in cui si verifica la maggior parte di questo accumulo. In tal modo, il team ha suggerito una semplice riprogettazione che potrebbe limitare drasticamente l'accumulo di impedenza, consentendo alle batterie di svolgere il loro ruolo di fonte di alimentazione di prossima generazione.

Una batteria agli ioni di litio è composta da due terminali a forma di foglio, l'anodo (terminale negativo) e il catodo (terminale positivo), separati da un mezzo conduttore di ioni chiamato elettrolita. (L'elettrolita è un gel nel caso delle normali batterie agli ioni di litio, un solido nella versione allo stato solido.) Durante la scarica, gli ioni di litio fluiscono dall'anodo attraverso l'elettrolita al catodo, costringendo gli elettroni a muoversi attorno a un circuito esterno e generare la corrente elettrica che alimenta i dispositivi.

L'impedenza si verifica tipicamente all'interfaccia tra uno dei due elettrodi e l'elettrolita. Ma trovare la posizione esatta richiede la conoscenza sia della distribuzione degli ioni di litio che della differenza di tensione su ciascuna interfaccia.

Studi precedenti di altri team non sono stati in grado di individuare in modo definitivo l'area problematica perché lo strumento utilizzato ha utilizzato un'impedenza media sull'intera batteria anziché misurarla in singoli siti all'interno del dispositivo. Il team del NIST, che comprende collaboratori del Sandia National Laboratory di Livermore, California, del Naval Research Laboratory di Washington, DC e di diverse università, ha utilizzato due metodi complementari per studiare l'impedenza su nanoscala in una batteria agli ioni di litio a stato solido.

Un metodo, la microscopia a forza della sonda Kelvin, utilizza la punta affilata di un microscopio a forza atomica in bilico sui diversi strati di una batteria aperta per visualizzare la distribuzione della tensione su ciascuna superficie. La sonda ha rivelato che la più grande caduta di tensione all'interno della batteria si è verificata sull'interfaccia elettrolita/anodo, indicando che si trattava di una regione ad alta impedenza. (Se l'intera batteria avesse una bassa impedenza, la caduta di tensione interna varierebbe gradualmente e senza intoppi da un punto all'altro all'interno della cella.)

Il secondo metodo, il profilo della profondità dei neutroni, utilizza un fascio di neutroni a bassa energia generato presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni per sondare la distribuzione e la concentrazione su nanoscala del litio. Poiché il profilo della profondità dei neutroni non danneggia la batteria, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare la tecnica mentre la batteria era in funzione.

Quando i neutroni a bassa energia del raggio sono stati assorbiti dal litio nella batteria, hanno prodotto particelle cariche energetiche, alfa (4He) e trizio (3H). Il numero di queste particelle cariche generate e l'energia che trattengono dopo essere passate attraverso gli strati della batteria indicano la concentrazione di ioni di litio in diversi punti della batteria.

Le misurazioni hanno rivelato che il sito principale in cui gli ioni di litio si erano accumulati, diminuendo il flusso di corrente elettrica, si trovava al confine tra l'elettrolita e l'anodo, lo stesso sito in cui la microscopia a forza della sonda Kelvin aveva rilevato la maggiore caduta di tensione.

Presi insieme, i risultati della microscopia a forza della sonda Kelvin e delle tecniche di profilatura della profondità dei neutroni hanno dimostrato inequivocabilmente che la maggior parte dell'impedenza si verifica nell'interfaccia elettrolita/anodo, ha affermato il membro del team Evgheni Strelcov del NIST e del NanoCenter dell'Università del Maryland a College Park.

Strelcov e altri ricercatori, tra cui Jamie Weaver, Joseph Dura, Andrei Kolmakov e Nikolai Zhitenev del NIST e i loro collaboratori, hanno riportato i loro risultati online il 19 ottobre sulla rivista ACS Energy Letters .

"Questo lavoro dimostra che il profilo della profondità dei neutroni, combinato con la microscopia a forza della sonda Kelvin e la modellazione teorica, continua a migliorare la nostra comprensione del funzionamento interno delle batterie agli ioni di litio", ha affermato Weaver.

Nell'analizzare le loro scoperte, gli scienziati hanno concluso che l'impedenza che hanno trovato all'interfaccia potrebbe essere significativamente ridotta se si aggiungessero strati di altro materiale tra l'anodo e l'elettrolita. L'aggiunta di strati intermedi che aderiscono correttamente l'uno all'altro impedirebbe all'elettrolita e all'anodo di interagire direttamente tra loro. Questo è un vantaggio perché quando un elettrolita e l'anodo sono a diretto contatto, a volte formano un sottile strato di materiale che impedisce il trasporto degli ioni.

"Vogliamo progettare le interfacce in modo che abbiano un'elevata conduttività di ioni ed elettroni", ha affermato Strelcov.