Batterie al litio, prime immagini alla nanoscala rivelano perché “muoiono”

Immagine al microscopio dell'interno di una batteria al litio: le ricariche ad alta velocità hanno provocato una distorsione che danneggia il separatore (verde) e creano sottoprodotti (marrone chiaro), quindi un cortocircuito (credito: Katie Jungjohann)

Grazie alle prime immagini a livello di nanoscala mai effettuate all’interno di batterie al litio, i ricercatori hanno scoperto quello che può essere considerato come uno dei fattori che provocano la “morte” di questo tipo di batterie, un effetto prima sconosciuto.
I ricercatori dei Sandia National Laboratories, collaborando con colleghi dell’Università dell’Oregon, del Lawrence Berkeley National Laboratory e della Thermo Fisher Scientific Inc., hanno analizzato le immagini dell’interno delle batterie al litio dopo diversi cicli di utilizzo aspettandosi di individuare depositi di litio a forma di ago.

I ricercatori infatti credono che uno dei motivi per le quali le batterie al litio alla fine muoiono sta nel fatto che, dopo diversi cicli, si forma un picco di litio che porta alla produzione di una sorta di “ponte” tra l’anodo e il catodo, cosa che crea un cortocircuito. Tuttavia non si è mai compreso come il litio, considerabile come un metallo tenero, riesca ad attraversare il separatore di plastica posto tra l’anodo e il catodo.

I ricercatori, guidati da Katie Harrison, hanno scoperto che può esserci un altro motivo per il quale una batteria al litio muoia. I ricercatori hanno infatti scoperto che all’interno di queste batterie può formarsi un accumulo duro come sottoprodotto di determinate reazioni chimiche.
Questo sottoprodotto, denominato interfase dell’elettrolita solido, si forma ogni volta che la batteria si ricarica e quindi cresce dopo diversi utilizzi.

Il sottoprodotto riesce a creare un cortocircuito nella batteria facendo dei fori nel separatore e creando delle aperture che agevolano la diffusione dei depositi di litio. Nelle immagini scattate dagli scienziati, si notava un separatore “completamente triturato”, come spiega la Harrison.
I ricercatori osservavano questo effetto nelle batterie sono quando venivano ricaricate a velocità elevate, le velocità tipiche con le quali si ricaricano le batterie dei veicoli elettrici. Con velocità di ricarica più lente l’effetto non si produceva.

Ora gli scienziati pensano che modificando il materiale con il quale fatto il separatore si possa perlomeno contrastare questo effetto anche se ulteriori studi andranno effettuati per capire come diminuire la formazione dei sottoprodotti che poi portano al cortocircuito e quindi per tentare di risolvere questo problema definitivamente.

Note e approfondimenti

  1. Sandia National Laboratories: The hidden culprit killing lithium-metal batteries from the inside (IA)
  2. Cryogenic Laser Ablation Reveals Short-Circuit Mechanism in Lithium Metal Batteries | ACS Energy Letters (IA) (DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00509)

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