Gli scienziati hanno scoperto una causa alla radice della crescita di strutture aghiformi, note come dendriti e baffi, che affliggono le batterie al litio, a volte causando un corto circuito, fallimento, o anche un fuoco.

Il gruppo, guidato da Chongmin Wang presso il Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy, ha dimostrato che la presenza di determinati composti nell'elettrolita, il materiale liquido che rende possibile la chimica critica di una batteria, favorisce la crescita di dendriti e baffi. Il team spera che la scoperta porti a nuovi modi per prevenire la loro crescita manipolando gli ingredienti della batteria. I risultati sono stati pubblicati online il 14 ottobre in Nanotecnologia della natura .

I dendriti sono piccoli, strutture rigide ad albero che possono crescere all'interno di una batteria al litio; le loro proiezioni aghiformi sono chiamate baffi. Entrambi causano danni enormi; in particolare, possono perforare una struttura nota come separatore all'interno di una batteria, proprio come un'erbaccia può colpire un patio di cemento o una strada asfaltata. Aumentano anche le reazioni indesiderate tra l'elettrolita e il litio, accelerando il guasto della batteria. Dendriti e baffi frenano l'uso diffuso di batterie al litio metallico, che hanno una maggiore densità di energia rispetto alle loro controparti agli ioni di litio comunemente usate.

Il team del PNNL ha scoperto che l'origine dei baffi in una batteria al litio metallico risiede in una struttura nota come "SEI" o interfase solido-elettrolita, un film in cui la superficie solida di litio dell'anodo incontra l'elettrolita liquido. Ulteriore, gli scienziati hanno individuato un colpevole nel processo di crescita:carbonato di etilene, un solvente indispensabile aggiunto all'elettrolita per migliorare le prestazioni della batteria.

Si scopre che il carbonato di etilene lascia la batteria vulnerabile ai danni.

Catturare l'azione in rapido movimento all'interno delle batterie al litio

I risultati del team includono video che mostrano la crescita passo dopo passo di un baffo all'interno di una batteria al litio metallica di dimensioni nanometriche appositamente progettata per lo studio.

Un dendrite inizia quando gli ioni di litio iniziano ad aggregarsi, o "nucleare, " sulla superficie dell'anodo, formando una particella che significa la nascita di un dendrite. La struttura cresce lentamente man mano che sempre più atomi di litio si accumulano, crescendo allo stesso modo in cui una stalagmite cresce dal pavimento di una grotta. Il team ha scoperto che le dinamiche energetiche sulla superficie del SEI spingono più ioni di litio nella colonna a crescita lenta. Quindi, All'improvviso, spunta un baffo.

Non è stato facile per la squadra catturare l'azione. Fare così, gli scienziati hanno integrato un microscopio a forza atomica (AFM) e un microscopio elettronico a trasmissione ambientale (ETEM), uno strumento molto apprezzato che consente agli scienziati di studiare una batteria funzionante in condizioni reali.

Il team ha utilizzato l'AFM per misurare la minuscola forza del baffo mentre cresceva. Proprio come un medico misura la forza della mano di un paziente chiedendo al paziente di spingere verso l'alto contro le mani tese del medico, il team del PNNL ha misurato la forza del baffo in crescita spingendo verso il basso la sua punta con il cantilever dell'AFM e misurando la forza esercitata dal dendrite durante la sua crescita.

La ricetta dell'elettrolita

Il team ha scoperto che il livello di carbonato di etilene è direttamente correlato alla crescita di dendriti e baffi. Più del materiale il team ha messo nell'elettrolita, più i baffi crescevano. Gli scienziati hanno sperimentato la miscela di elettroliti, cambiare gli ingredienti nel tentativo di ridurre i dendriti. Alcuni cambiamenti, come l'aggiunta di cicloesanone, impedito la crescita di dendriti e baffi.

"Non vogliamo semplicemente sopprimere la crescita dei dendriti; vogliamo arrivare alla causa principale ed eliminarli, " ha detto Wang, un autore corrispondente dell'articolo insieme a Wu Xu. "Ci siamo avvalsi dell'esperienza dei nostri colleghi che hanno esperienza in elettrochimica. La mia speranza è che i nostri risultati sproneranno la comunità a guardare a questo problema in modi nuovi. Chiaramente, sono necessarie ulteriori ricerche".

Capire cosa fa nascere e crescere i baffi porterà a nuove idee per eliminarli o almeno controllarli per ridurre al minimo i danni, aggiunto il primo autore Yang He. Lui e il team hanno monitorato come i baffi rispondono a un ostacolo, o cedimento, cedendo, attorcigliamento, o fermarsi. Una maggiore comprensione potrebbe aiutare a spianare la strada all'ampio uso delle batterie al litio metallico nelle auto elettriche, computer portatili, cellulari, e altre aree.