Le batterie agli ioni di litio spesso sviluppano strutture aghiformi tra gli elettrodi che possono cortocircuitare le batterie e talvolta causare incendi. Ora, un team internazionale di ricercatori ha trovato un modo per far crescere e osservare queste strutture per capire i modi per fermarne o prevenirne la comparsa.

"È difficile rilevare la nucleazione di un simile baffo e osservarne la crescita perché è minuscolo, " disse Sulin Zhang, professore di ingegneria meccanica, Penn State. "La reattività estremamente elevata del litio rende anche molto difficile esaminarne sperimentalmente l'esistenza e misurarne le proprietà".

I baffi e i dendriti di litio sono strutture aghiformi di solo poche centinaia di nanometri di spessore che possono crescere dall'elettrodo di litio attraverso elettroliti liquidi o solidi verso l'elettrodo positivo, cortocircuitando la batteria e talvolta provocando un incendio.

Il team collaborativo dalla Cina, Georgia Tech e Penn State hanno coltivato con successo baffi di litio all'interno di un microscopio elettronico a trasmissione ambientale (ETEM) utilizzando un'atmosfera di anidride carbonica. La reazione dell'anidride carbonica con il litio forma uno strato di ossido che aiuta a stabilizzare i baffi.

Riportano i loro risultati online questa settimana in Nanotecnologia della natura . Il documento è "Rivelare la crescita e la generazione di stress dei baffi di litio da parte di ETEM-AFM in situ".

In modo innovativo, il team ha utilizzato una punta del microscopio a forza atomica (AFM) come controelettrodo e la tecnica ETEM-AFM integrata consente l'imaging simultaneo della crescita dei baffi e la misurazione dello stress di crescita. Se lo stress di crescita è troppo alto, penetrerebbe e spezzerebbe l'elettrolita solido e consentirebbe ai baffi di continuare a crescere e alla fine cortocircuitare la cellula.

"Ora che conosciamo il limite dello stress di crescita, possiamo progettare di conseguenza gli elettroliti solidi per prevenirlo, " Ha detto Zhang. Le batterie a stato solido a base di metallo di litio sono desiderabili per una maggiore sicurezza e una maggiore densità di energia.

Questa nuova tecnica sarà accolta con favore dalle comunità della meccanica e dell'elettrochimica e sarà utile in molte altre applicazioni, ha detto Zhang.

Il prossimo passo per il team è guardare il dendrite mentre si forma contro un elettrolita a stato solido più realistico sotto TEM per vedere esattamente cosa succede.