La causa principale della degradazione delle batterie ricaricabili
Una nuova chiave di lettura delle prestazioni delle batterie ricaricabili. Gli scienziati rivelano la causa principale della degradazione delle batterie ricaricabili.
Per decenni, i ricercatori hanno ritenuto che l’inevitabile accumulo di depositi di pellicola sugli elettrodi all’interno delle batterie ricaricabili fosse la causa della perdita di prestazioni. Ora sappiamo che questa convinzione è errata.
L’accumulo di depositi di litio metallico sugli elettrodi delle batterie non è la causa principale della perdita di prestazioni, ma piuttosto un effetto collaterale. La prima misurazione diretta delle proprietà elettriche tra l’elettrodo solido e l’elettrolita liquido all’interno di una batteria ricaricabile è stata riportata a fine settembre su Nature Energy.
Lo studio, condotto da un team di ricerca del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell’Energia, dimostra che la cosiddetta interfase elettrolitica solida (SEI) non è un isolante elettronico, come si pensava in precedenza, ma si comporta invece come un semiconduttore. La ricerca risolve l’annoso mistero del funzionamento elettrico della SEI durante il funzionamento della batteria.
Le scoperte hanno implicazioni dirette per la progettazione di batterie più durature, grazie alla messa a punto delle proprietà fisiche ed elettrochimiche dell’elettrolita liquido, che viene spesso definito come la riserva di energia di una batteria in esercizio.
“Un tasso più elevato di conduzione elettrica induce una SEI più spessa con forme complesse di litio solido, che in ultima analisi porta a prestazioni inferiori della batteria”. Così ha dichiarato Chongmin Wang, borsista del laboratorio PNNL ed esperto di tecnologia delle batterie che ha collaborato allo studio.
Una batteria di dimensioni minuscole rivoluziona le ipotesi sul funzionamento delle batterie ricaricabili
I ricercatori si sono concentrati su questo strato SEI, più sottile di un foglio di carta velina, a causa del suo ruolo di primo piano nelle prestazioni della batteria. Questo mosaico di pellicole permette selettivamente agli ioni di litio carichi di attraversare la batteria durante la scarica e controlla il movimento degli elettroni che forniscono l’energia alla batteria.
Quando le batterie sono nuove, il SEI si forma al primo ciclo di carica e idealmente rimane stabile per tutta la durata prevista della batteria. Tuttavia, se si guarda all’interno di una batteria ricaricabile in fase di invecchiamento, si nota spesso un notevole accumulo di litio solido sugli elettrodi negativi. I ricercatori hanno ipotizzato che questo accumulo sia la causa della perdita di prestazioni. Parte della spiegazione di questa supposizione è dovuta all’impossibilità di effettuare misurazioni per verificare la causa e l’effetto.
Wang, insieme al co-responsabile dello studio Wu Xu, scienziato dei materiali del Battery Materials and Systems Group del PNNL, ai co-autori Yaobin Xu e Hao Jia e ai loro colleghi del PNNL, della Texas A&M University e del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno risolto questo problema sviluppando una nuova tecnica per misurare direttamente la conduzione elettrica attraverso il SEI in un sistema sperimentale. Il team ha combinato la tecnica della microscopia elettronica a trasmissione con la manipolazione su scala nanometrica di aghi metallici microfabbricati all’interno del microscopio. I ricercatori hanno quindi misurato le proprietà elettriche dello strato SEI formato su rame o litio con quattro diversi tipi di elettroliti.
Le misurazioni del gruppo hanno rivelato che, con l’aumento della tensione nella batteria, lo strato SEI perde elettroni in tutti i casi, rendendolo semiconduttivo.
Le conclusioni suggeriscono che le molecole contenenti carbonio perdono elettroni, riducendo la durata delle batterie
Una volta registrato questo comportamento simile a quello dei semiconduttori, che non era mai stato osservato direttamente in precedenza, hanno voluto capire quali componenti del SEI, chimicamente complessi, sono responsabili della perdita di elettroni.
“Abbiamo scoperto che i componenti organici contenenti carbonio dello strato SEI sono inclini a perdere elettroni“, ha detto Xu.
I ricercatori hanno concluso che la riduzione al minimo dei componenti organici nel SEI consentirebbe alle batterie di avere una vita utile più lunga.
“Anche lievi variazioni della velocità di conduzione attraverso il SEI possono comportare differenze significative nell’efficienza e nella stabilità dei cicli della batteria”, ha aggiunto Wang.
Per approfondire:
- A New Twist on Rechargeable Battery Performance | News Release | PNNL
- Direct in situ measurements of electrical properties of solid–electrolyte interphase on lithium metal anodes | Nature Energy
foto articolo di Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory – leggi anche Batterie agli ioni zinco: densità energetica record (ecquologia.com)
