Importanti progressi nella comprensione della causa dell'elevata resistività alle interfacce elettrodo-elettrolita, che ha ostacolato lo sviluppo di batterie ad alta densità di potenza.

Un team di ricerca del National Institute for Materials Science (NIMS) guidato dal ricercatore senior Nobuyuki Ishida e dal ricercatore post-dottorato Hideki Masuda, Gruppo di caratterizzazione della superficie, Centro di ricerca per la misurazione e la caratterizzazione avanzate (Ishida è anche leader GREEN nel gruppo di caratterizzazione delle interfacce nanometriche), è riuscito a visualizzare il cambiamento su scala nanometrica nella distribuzione del potenziale nei materiali catodici compositi delle batterie agli ioni di litio allo stato solido (SS-LIB) prima e dopo la carica/scarica delle batterie. I risultati di questo studio possono contribuire a identificare la causa dell'elevata resistività alle interfacce elettrodo-elettrolita, che ha ostacolato lo sviluppo di SS-LIB ad alta densità di potenza.

Grazie alla loro comprovata sicurezza e alle eccellenti caratteristiche del ciclo, Gli SS-LIB sono concepiti come promettenti batterie di accumulo di prossima generazione. Però, a causa della maggiore resistenza di trasferimento degli ioni di litio alle interfacce elettrodo-elettrolita solido rispetto a quella alle interfacce elettrodo-elettrolita liquido, è difficile aumentare la densità di potenza degli SS-LIB. Per comprendere l'origine della resistività interfacciale, la modellazione è stata applicata allo strato impoverito di ioni di litio (strato di carica spaziale), che si forma negli elettroliti solidi quando gli SS-LIB vengono caricati, e ai difetti dello strato interfacciale. Per verificare queste ipotesi, è fondamentale misurare la variazione di spessore dello strato di carica spaziale, e il cambiamento nella distribuzione delle concentrazioni di ioni di litio in quello strato prima e dopo aver caricato/scaricato le batterie. Quindi, sarà possibile analizzare la correlazione tra queste misure e la resistività interfacciale. Però, è stato difficile misurare la distribuzione del potenziale elettrico nei campioni SS-LIB poiché i campioni devono essere estratti senza compromettere le prestazioni della batteria. Questo era stato un grosso problema che impediva ai ricercatori di indagare sulla causa della resistività interfacciale.

Il team di ricerca ha sviluppato un metodo in base al quale i campioni da misurare vengono tagliati dagli SS-LIB, viene trattata la sezione trasversale dei campioni, e la distribuzione del potenziale viene misurata utilizzando un microscopio a scansione di sonda, il tutto eseguito in atmosfera di gas inerte o sotto vuoto. Quindi il team ha visualizzato con successo il cambiamento nella distribuzione potenziale derivante dalla carica/scarica della batteria nel catodo composito ad alta risoluzione spaziale (≤50 nm) mantenendo le prestazioni della batteria. Quando gli SS-LIB (forniti da Taiyo Yuden Co., Ltd.) sono stati valutati utilizzando questo metodo, i risultati hanno indicato che l'area in cui le concentrazioni di ioni di litio sono diminuite nell'ordine dei micrometri si è espansa nella regione dell'elettrolita solido, e che gli stati di tariffazione erano localmente disomogenei.

Questo metodo è applicabile alla valutazione degli strati di carica spaziale in molti tipi di SS-LIB, e può contribuire alla comprensione delle cause dell'elevata resistività interfacciale negli SS-LIB. Inoltre, questo metodo è applicabile anche alla valutazione delle differenze negli stati di carica/scarica per singole particelle di materiale attivo che si verificano a causa della distribuzione non uniforme della conduttività elettrica nei materiali compositi degli elettrodi. Perciò, il nuovo metodo potrebbe non solo contribuire alla progettazione di interfacce per migliorare le prestazioni degli SS-LIB, ma anche applicarsi a varie tecniche di analisi della batteria, inclusa l'analisi delle cause del degrado della batteria.

Una parte di questo studio è stata condotta in concomitanza con il progetto intitolato "Formazione del percorso di conduzione super-ionica in una batteria ricaricabile agli ioni di litio a stato solido attraverso la progettazione dell'interfaccia di fase cristallina con strutture gerarchicamente controllate" (Katsuya Teshima, direttore della ricerca), che è stato realizzato per integrare il progetto "Creazione di materiali funzionali innovativi con proprietà avanzate mediante progettazione iper-nano-spaziale" (Tohru Setoyama, responsabile della ricerca), nell'ambito dei programmi di ricerca strategica di base (in particolare il programma CREST) ​​sponsorizzati dalla Japan Science and Technology Agency (JST).