Per decenni, gli scienziati hanno cercato di realizzare batterie al litio-metallo affidabili. Queste celle di accumulo ad alte prestazioni contengono il 50% di energia in più rispetto ai loro prolifici cugini agli ioni di litio, ma tassi di guasto più elevati e problemi di sicurezza come incendi ed esplosioni hanno paralizzato gli sforzi di commercializzazione. I ricercatori hanno ipotizzato il motivo per cui i dispositivi falliscono, ma le prove dirette sono state scarse.
Ora, le prime immagini su nanoscala mai scattate all'interno di batterie a bottone al litio intatte (chiamate anche pile a bottone o batterie per orologi) sfidano le teorie prevalenti e potrebbero aiutare a rendere le future batterie ad alte prestazioni, come quelle per i veicoli elettrici, più sicure, più potenti e più lunghe duraturo.
"Stiamo imparando che dovremmo usare materiali separatori sintonizzati per il litio metallico", ha affermato la scienziata Katie Harrison, che guida il team dei Sandia National Laboratories per migliorare le prestazioni delle batterie al litio-metallo", ha affermato lo scienziato.
Il sottoprodotto interno si accumula, uccide le batterie
Il team ha caricato e scaricato ripetutamente le celle a bottone al litio con la stessa corrente elettrica ad alta intensità di cui hanno bisogno i veicoli elettrici. Alcune cellule hanno attraversato alcuni cicli, mentre altre hanno attraversato più di cento cicli. Quindi, le cellule sono state spedite a Thermo Fisher Scientific a Hillsboro, Oregon, per l'analisi.
Quando il team ha esaminato le immagini degli interni delle batterie, si aspettava di trovare depositi di litio a forma di ago che attraversano la batteria. La maggior parte dei ricercatori sulle batterie pensa che un picco di litio si formi dopo cicli ripetuti e che fori attraverso un separatore di plastica tra l'anodo e il catodo, formando un ponte che provoca un cortocircuito. Ma il litio è un metallo tenero, quindi gli scienziati non hanno capito come potrebbe passare attraverso il separatore.
Il team di Harrison ha trovato un secondo colpevole sorprendente: un duro accumulo formato come sottoprodotto delle reazioni chimiche interne della batteria. Ogni volta che la batteria si ricaricava, il sottoprodotto, chiamato interfase dell'elettrolita solido, cresceva. Incapsulando il litio, ha fatto dei buchi nel separatore, creando aperture per la diffusione dei depositi di metallo e la formazione di un cortocircuito. Insieme, i depositi di litio e il sottoprodotto erano molto più distruttivi di quanto si credesse in precedenza, agendo meno come un ago e più come uno spazzaneve.
"Il separatore è completamente triturato", ha detto il ricercatore, aggiungendo che questo meccanismo è stato osservato solo con velocità di ricarica elevate necessarie per veicolo elettrico tecnologie, ma non tassi di ricarica più lenti.
Mentre gli scienziati di Sandia pensano a come modificare i materiali dei separatori, i ricercatori affermano che saranno necessarie ulteriori ricerche per ridurre la formazione di sottoprodotti.
Gli scienziati accoppiano i laser con la criogenia per scattare immagini "cool"
Determinare la causa della morte per una batteria a bottone è sorprendentemente difficile. Il problema deriva dal suo involucro in acciaio inossidabile. Il guscio metallico limita ciò che la diagnostica, come i raggi X, può vedere dall'esterno, mentre la rimozione di parti della cella per l'analisi strappa gli strati della batteria e distorce qualsiasi prova possa essere all'interno.
"Abbiamo diversi strumenti in grado di studiare diversi componenti di una batteria, ma in realtà non abbiamo uno strumento in grado di risolvere tutto in un'unica immagine", ha affermato il ricercatore.
Il ricercatore e i suoi collaboratori hanno utilizzato un microscopio dotato di un laser per fresare l'involucro esterno di una batteria. Lo hanno abbinato a un supporto per campioni che mantiene l'elettrolita liquido della cella congelato a temperature comprese tra meno 148 e meno 184 gradi Fahrenheit (rispettivamente meno 100 e meno 120 gradi Celsius). Il laser crea un'apertura abbastanza grande da consentire a un fascio di elettroni stretto di entrare e rimbalzare su un rilevatore, fornendo un'immagine ad alta risoluzione della sezione trasversale interna della batteria con dettagli sufficienti per distinguere i diversi materiali.
Lo strumento dimostrativo originale, che all'epoca era l'unico strumento di questo tipo negli Stati Uniti, è stato costruito e si trova ancora in un laboratorio della Thermo Fisher Scientific in Oregon. Un duplicato aggiornato ora risiede a Sandia. Lo strumento sarà ampiamente utilizzato in tutta Sandia per aiutare a risolvere molti materiali e problemi di analisi dei guasti.
