Il gruppo Singer sta sfruttando i difetti e le dislocazioni negli elettroliti allo stato solido per creare materiali di accumulo di energia di qualità superiore. Credito:American Chemical Society
Alcune imperfezioni pagano grandi dividendi.
Una collaborazione guidata da Cornell ha utilizzato la nanoimaging a raggi X per ottenere una visione senza precedenti degli elettroliti allo stato solido, rivelando difetti e dislocazioni dei cristalli precedentemente non rilevati che ora possono essere sfruttati per creare materiali di accumulo di energia superiori.
La carta del gruppo, "Nanoimaging a raggi X di difetti di cristallo in singoli grani di elettrolita allo stato solido Li 7 -3 X Al X La 3 Zr 2 oh 12 , " pubblicato il 29 aprile in Nano lettere , una pubblicazione dell'American Chemical Society. L'autore principale del documento è il dottorando Yifei Sun.
Per mezzo secolo, gli scienziati dei materiali hanno studiato gli effetti di minuscoli difetti nei metalli. L'evoluzione degli strumenti di imaging ha ora creato opportunità per esplorare fenomeni simili in altri materiali, in particolare quelli utilizzati per lo stoccaggio di energia.
Un gruppo guidato da Andrej Singer, professore assistente e David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, utilizza la radiazione di sincrotrone per scoprire difetti su scala atomica nei materiali delle batterie che approcci convenzionali, come la microscopia elettronica, non sono riuscito a trovare.
Il Gruppo Singer è particolarmente interessato agli elettroliti allo stato solido perché potrebbero essere potenzialmente utilizzati per sostituire gli elettroliti liquidi e polimerici nelle batterie agli ioni di litio. Uno dei principali svantaggi degli elettroliti liquidi è che sono suscettibili alla formazione di dendriti appuntiti tra l'anodo e il catodo, che cortocircuitano la batteria o, persino peggio, farlo esplodere.
Gli elettroliti allo stato solido hanno il pregio di non essere infiammabili, ma presentano sfide proprie. Non conducono gli ioni di litio con la stessa forza o velocità dei fluidi, e mantenere il contatto tra anodo e catodo può essere difficile. Anche gli elettroliti allo stato solido devono essere estremamente sottili; altrimenti, la batteria sarebbe troppo ingombrante e qualsiasi guadagno di capacità sarebbe negato.
L'unica cosa che potrebbe rendere praticabili gli elettroliti allo stato solido? Piccoli difetti, ha detto il cantante.
"Questi difetti potrebbero facilitare la diffusione ionica, quindi potrebbero consentire agli ioni di andare più velocemente. Questo è qualcosa che è noto per accadere nei metalli, " ha detto. "Anche come nei metalli, avere difetti è migliore in termini di prevenzione della frattura. Quindi potrebbero rendere il materiale meno soggetto a rotture".
Il gruppo di Singer ha collaborato con Nikolaos Bouklas, assistente professore presso la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering e coautore del documento, che li ha aiutati a capire come i difetti e le dislocazioni potrebbero influire sulle proprietà meccaniche degli elettroliti allo stato solido.
Il team di Cornell ha quindi collaborato con i ricercatori della Virginia Tech, guidati da Feng Lin, il co-autore senior dell'articolo, che ha sintetizzato il campione:una struttura cristallina di granato, litio lantanio zirconio ossido (LLZO), con varie concentrazioni di alluminio aggiunto in un processo chiamato drogaggio.
Utilizzando l'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, hanno impiegato una tecnica chiamata Bragg Coherent Diffractive Imaging in cui un puro, il raggio di raggi X colonnato è focalizzato, proprio come un puntatore laser, su un singolo micron di grana di LLZO. Gli elettroliti sono costituiti da milioni di questi grani. Il raggio ha creato un'immagine 3D che alla fine ha rivelato la morfologia del materiale e gli spostamenti atomici.
"Si presumeva che questi elettroliti fossero cristalli perfetti, " ha detto Sun. "Ma ciò che troviamo sono difetti come dislocazioni e bordi dei grani che non sono stati segnalati prima. Senza il nostro imaging 3D, che è estremamente sensibile ai difetti, sarebbe probabilmente impossibile vedere quelle dislocazioni perché la densità di dislocazione è così bassa".
I ricercatori hanno ora in programma di condurre uno studio che misuri l'impatto dei difetti sulle prestazioni degli elettroliti a stato solido in una batteria reale.
"Ora che sappiamo esattamente cosa stiamo cercando, vogliamo trovare questi difetti e osservarli mentre facciamo funzionare la batteria, "Singer ha detto. "Siamo ancora lontani da esso, ma potremmo essere all'inizio di un nuovo sviluppo in cui possiamo progettare questi difetti apposta per realizzare migliori materiali per lo stoccaggio dell'energia".
