Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno catturato le prime immagini in tempo reale su nanoscala di strutture di dendrite di litio note per degradare le batterie agli ioni di litio. La microscopia elettronica del team ORNL potrebbe aiutare i ricercatori ad affrontare problemi di vecchia data relativi alle prestazioni e alla sicurezza della batteria.

I dendriti si formano quando il litio metallico mette radici sull'anodo di una batteria e inizia a crescere a casaccio. Se i dendriti diventano troppo grandi, possono forare il divisore tra gli elettrodi e cortocircuitare la cella, con conseguente guasto catastrofico della batteria.

I ricercatori hanno studiato la formazione dei dendriti utilizzando una cella elettrochimica in miniatura che imita le condizioni del liquido all'interno di una batteria agli ioni di litio. Il posizionamento della cella liquida in un microscopio elettronico a trasmissione a scansione e l'applicazione di tensione alla cella ha permesso ai ricercatori di osservare come i depositi di litio, che iniziano come un seme di dimensioni nanometriche, si trasformano in strutture dendritiche.

"Ci offre una visione nanoscopica di come i dendriti si nucleano e crescono, " ha detto Raymond Unocic di ORNL, capogruppo di microscopia in situ. "Possiamo visualizzare l'intero processo su un microelettrodo di carbonio vetroso e osservare dove i dendriti preferiscono nuclearsi e anche tenere traccia dei cambiamenti morfologici durante la crescita". Guarda un video della crescita dei dendriti qui sotto.

Oltre all'imaging delle strutture ad alta risoluzione, la tecnica di microscopia del team ha raccolto misurazioni precise delle prestazioni elettrochimiche della cellula. "Questa tecnica ci consente di seguire sottili cambiamenti strutturali e chimici di dimensioni nanometriche che si verificano e, cosa più importante, correlarlo alle prestazioni misurate di una batteria, " disse Roberto Sacci, Ricercatore postdottorato ORNL e autore principale dello studio Nano Letters.

Questa analisi in tempo reale in un ambiente liquido distingue l'approccio del team ORNL dagli altri metodi di caratterizzazione.

"Di solito quando si esegue una batteria per molti cicli di carica-scarica, in genere attendi che le cose inizino a non funzionare e a quel punto esegui un'analisi della causa principale dell'errore, " Disse Unocic. "Allora vedi che c'è un dendrite, ma allora? Ora che possiamo vedere esattamente come si stanno formando i dendriti usando la nostra tecnica, possiamo essere proattivi e escogitare strategie per inibire o ridurre questi fenomeni".

Il team ORNL crede che gli scienziati che stanno sperimentando diversi modi per affrontare il problema dei dendriti, come additivi liquidi o separatori più forti, beneficerà della sua ricerca.

"Se non capisci il meccanismo di base del perché le cose accadono nei tuoi dispositivi, penserai sempre, 'Perché è successo questo e come posso risolverlo?'", ha detto Unocic. "Fino a quando non si arriva al livello microscopico e nanoscopico per osservare l'evoluzione strutturale e chimica che sta avvenendo nelle cellule, allora non si può veramente affrontare quelle problemi che emergono».