Le batterie di oggi non possono assorbire tutta l'energia di un parco eolico in una notte burrascosa e mantenerla fino a quando non sarà necessaria il giorno successivo. Un'opzione promettente è quella di creare una batteria di capacità maggiore sostituendo l'elettrodo negativo nelle batterie convenzionali con uno in metallo di litio. Il problema? I depositi di dendriti che si formano sulle superfici degli elettrodi durante il processo di carica causano il cortocircuito delle batterie, comportando gravi rischi per la sicurezza. Recentemente, gli scienziati hanno scoperto come prevenire la formazione di dendriti. Per la prima volta, un team di esperti del Pacific Northwest National Laboratory del DOE ha sviluppato pellicole protettive attorno agli anodi che impedivano la formazione di dendriti.

Trasformare l'economia energetica della nostra nazione significa trovare modi migliori per immagazzinare energia. I risultati di questo studio, fatto attraverso il Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) del DOE, potrebbe aiutare gli scienziati a progettare un anodo di litio metallico sicuro e stabile e, infine, aprire la strada all'uso pratico di sistemi di batterie ad alta densità di energia per i veicoli elettrici e allo stoccaggio di energia rinnovabile.

Ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory, più Harbin Institute of Technology, Università di Wuhan, Istituto di Tianjin delle fonti di energia, e l'US Army Research Laboratory ha valutato l'efficacia di un additivo elettrolitico chiamato esafluorofosfato di cesio (CsPF6) per migliorare le prestazioni della batteria e proteggere l'elettrodo negativo o l'anodo.

I ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione con analisi a raggi X a dispersione di energia per studiare la microstruttura e la composizione elementare, e spettroscopia fotoelettronica a raggi X ad alta risoluzione per una caratterizzazione chimica più dettagliata. Entrambi gli strumenti sono all'EMSL, una struttura scientifica nazionale per gli utenti DOE.

L'additivo CsPF6 ha promosso la crescita priva di dendriti di film costituiti da nanotubi di litio strettamente imballati, che assomigliano a un pugno di spaghetti secchi. L'additivo elettrolitico ha anche promosso la creazione di uno strato di interfaccia dell'elettrolita solido ricco di litio. Questo strato complesso si forma rapidamente dai prodotti di decomposizione nell'elettrolita della batteria, la sostanza nelle batterie che funge da mezzo per condurre gli ioni di litio tra gli elettrodi. L'effetto combinato dell'additivo Cs+ e dello strato SEI ha contribuito al deposito uniforme degli ioni di litio sulla superficie, privo di dendriti, durante la ricarica. Inoltre, i film di litio sono rimasti privi di dendriti dopo ripetute cariche e utilizzi, o cicli di deposizione/sverniciatura.

Presi insieme, i risultati mostrano che CsPF6 promuove la crescita ordinata e regolare dei film di litio metallico, protegge l'anodo, e migliora le prestazioni della batteria.

I ricercatori stanno continuando a comprendere i fattori che influenzano la formazione e l'evoluzione dello strato SEI e di altri componenti della batteria per stabilizzare le prestazioni a lungo termine del litio metallico e di altri anodi metallici.