Litio depositato sull'anodo di platino all'inizio (in alto), durante (al centro) e alla fine (in basso) del secondo ciclo. Su e intorno all'anodo si possono vedere residui di "litio morto".
Utilizzato in tutto, dai veicoli elettrici ai computer portatili, la batteria al litio è onnipresente, ma non è ben compreso su scala atomica. Per vedere cosa succede su scala nanometrica, gli scienziati del Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) del DOE hanno progettato e implementato un piccolo dispositivo, noto come stadio elettrochimico operando. Usando questo stadio all'interno di un microscopio elettronico a trasmissione all'avanguardia con correzione dell'aberrazione, possono scattare immagini a risoluzione nanometrica degli ioni di litio mentre si depositano o si dissolvono su un elettrodo mentre la batteria è in funzione.
Con la nuova tappa, gli scienziati possono visualizzare direttamente i cambiamenti nel momento in cui si verificano. Le nuove immagini consentono misurazioni e descrizioni precise di ciò che accade all'interno della batteria. Queste informazioni sono vitali per controllare i processi che limitano le prestazioni e la sicurezza. Ora, gli scienziati possono visualizzare e testare rapidamente nuovi accoppiamenti di elettrodi ed elettroliti (vedi Batteria 101). La nuova fase aiuterà a selezionare rapidamente le opzioni per una maggiore durata, batterie più sicure.
Andare oltre l'attuale batteria agli ioni di litio standard del settore è stato difficile. In litio-aria e altri modelli, le interazioni alle interfacce elettrodo-elettrolita influiscono sulle prestazioni e sulla sicurezza della batteria. Per capire le reazioni, scienziati del Pacific Northwest National Laboratory, come parte di JCESR, ha creato uno stadio elettrochimico operando. Usandolo in un microscopio elettronico a trasmissione a scansione con correzione dell'aberrazione, gli scienziati possono ora visualizzare chimicamente l'interfaccia tra l'anodo di platino e l'elettrolita durante il funzionamento della batteria.
Il metodo di imaging mette in evidenza il metallo solido di litio, identificandolo in modo univoco dai componenti che compongono lo strato interfase protettivo solido-elettrolita. Utilizzando queste immagini e dati elettrochimici standard, gli scienziati possono quantificare, su scala nanometrica, la quantità di litio che finisce per depositarsi irreversibilmente dopo ogni ciclo di carica/scarica. Ciò significa che possono vedere i dendriti, le microscopiche spine che causano il guasto delle batterie, mentre si formano.
La tecnica mostra anche la crescita dello strato interfase solido-elettrolita, che avvolge e protegge l'anodo. Lo strato si forma a causa della rottura dell'elettrolita. Nei loro studi, il team ha scoperto che il ciclo prolungato della batteria porta alla crescita del litio sotto lo strato, la genesi dei dendriti che hanno implicazioni per la sicurezza e le prestazioni della batteria.
Questo nuovo strumento di imaging apre la possibilità di visualizzare e testare rapidamente gli accoppiamenti elettrodi/elettroliti per i nuovi sistemi di batterie. Questi sistemi potrebbero consentire alle auto elettriche di percorrere grandi distanze tra le cariche. Anche, un giorno, tali sistemi potrebbero immagazzinare energia da stazioni eoliche e solari, rendendo disponibile l'energia intermittente quando necessario.
Batteria 101
La maggior parte delle batterie ricaricabili utilizzate oggi sono batterie agli ioni di litio, che hanno due elettrodi:uno che è caricato positivamente e contiene litio e un altro, quello negativo che è tipicamente fatto di grafite. L'elettricità viene generata quando gli elettroni fluiscono attraverso un filo che collega i due. Per controllare gli elettroni, atomi di litio caricati positivamente si spostano da un elettrodo all'altro attraverso un altro percorso:la soluzione elettrolitica in cui si trovano gli elettrodi. Ma la grafite ha una bassa capacità di accumulo di energia, limitare la quantità di energia che una batteria agli ioni di litio può fornire a smartphone e veicoli elettrici.
Quando le batterie ricaricabili a base di litio furono sviluppate per la prima volta negli anni '70, i ricercatori hanno usato il litio per l'elettrodo negativo, noto anche come anodo. Il litio è stato scelto perché ha una capacità di accumulo di energia dieci volte maggiore rispetto alla grafite. Il problema era, l'elettrolita contenente litio ha reagito con l'anodo di litio. Ciò ha causato la crescita di microscopici dendriti di litio e il fallimento delle prime batterie.
Molti hanno modificato le batterie ricaricabili nel corso degli anni nel tentativo di risolvere il problema dei dendriti. All'inizio degli anni '90, i ricercatori sono passati ad altri materiali come la grafite per l'anodo. Più recentemente, gli scienziati hanno anche rivestito l'anodo con uno strato protettivo, mentre altri hanno creato additivi elettrolitici. Alcune soluzioni hanno eliminato i dendriti, ma ha anche portato a batterie poco pratiche con poca potenza. Altri metodi hanno solo rallentato, ma non si è fermato, la crescita della fibra.
