Watt's Next? Lo studio di Oxford potrebbe sbloccare batterie "game-changing" per veicoli elettrici e aviazione.

I ricercatori hanno utilizzato tecniche di imaging avanzate per comprendere le cause del fallimento delle batterie a stato solido al litio metallico (Li-SSBs), secondo uno studio pubblicato su Nature. A differenza delle batterie convenzionali, le Li-SSBs sostituiscono l'elettrolita liquido infiammabile con uno solido e utilizzano il litio metallico come anodo. Questo consente una maggiore sicurezza e una maggiore capacità di immagazzinamento di energia, potenzialmente rivoluzionando i settori dei veicoli elettrici (EV) e dell'aviazione.

I ricercatori dell'Università di Oxford hanno scoperto come le Li-SSBs al litio metallico falliscono, aprendo potenzialmente la strada per batterie EV migliorate. Il team ha identificato che la formazione e la crescita dei "dendriti" causano il cortocircuito delle batterie, conoscenze che potrebbero aiutare ad affrontare le sfide tecnologiche nello sviluppo delle batterie a stato solido.

Batterie per veicoli elettrici (EV) significativamente migliorate potrebbero essere un passo avanti grazie a un nuovo studio condotto dai ricercatori dell'Università di Oxford, pubblicato il 7 giugno su Nature. L'uso di tecniche di imaging avanzate ha rivelato i meccanismi che causano il fallimento delle batterie a stato solido al litio metallico (Li-SSBs). Se questi problemi possono essere superati, le batterie a stato solido con anodi al litio metallico potrebbero fornire un miglioramento sostanziale della gittata delle batterie EV, della sicurezza e delle prestazioni, oltre ad aiutare ad avanzare nella tecnologia a propulsione elettrica dell'aviazione.

Uno degli autori principali dello studio, Dominic Melvin, uno studente di dottorato al Dipartimento di Materiali dell'Università di Oxford, ha detto: "Far progredire le batterie a stato solido con anodi al litio metallico è una delle sfide più importanti che affrontano gli sviluppi delle tecnologie delle batterie. Mentre le batterie al litio-ionico di oggi continueranno a migliorare, la ricerca sulle batterie a stato solido ha il potenziale per essere altamente gratificante e cambiare il gioco tecnologico."

Le Li-SSBs sono diverse dalle altre batterie perché sostituiscono l'elettrolita liquido infiammabile delle batterie convenzionali con un elettrolita solido e utilizzano il litio metallico come anodo (elettrodo negativo). L'uso dell'elettrolita solido migliora la sicurezza e l'uso del litio metallico significa che può essere immagazzinata più energia. Una sfida critica con le Li-SSBs, tuttavia, è che sono inclini al cortocircuito durante la carica a causa della crescita dei "dendriti": filamenti di litio metallico che si spaccano attraverso l'elettrolita ceramica. Come parte del progetto SOLBAT dell'Istituto Faraday, i ricercatori dei Dipartimenti di Materiali, Chimica e Ingegneria dell'Università di Oxford hanno condotto una serie di approfondite indagini per capire meglio come avviene questo cortocircuito.

In questo ultimo studio, il gruppo ha utilizzato una tecnica di imaging avanzata chiamata tomografia computerizzata a raggi X presso Diamond Light Source per visualizzare la rottura dei dendriti in dettagli senza precedenti durante il processo di carica. Il nuovo studio di imaging ha rivelato che la formazione e la propagazione delle crepe dei dendriti sono processi separati, guidati da meccanismi sottostanti distinti. Le crepe dei dendriti si formano quando il litio si accumula nei pori sottosuperficiali. Quando i pori diventano pieni, ulteriori cariche della batteria aumentano la pressione, portando alla rottura. Al contrario, la propagazione avviene solo quando il litio riempie solo parzialmente la crepa, attraverso un meccanismo di apertura a cuneo che spinge la crepa dall'apertura posteriore.

Questa nuova comprensione indica la via da seguire per superare le sfide tecnologiche delle Li-SSBs. Dominic Melvin ha detto: "Ad esempio, sebbene la pressione all'anodo di litio possa essere utile per evitare lo sviluppo di lacune all'interfaccia con l'elettrolita solido durante lo scarico, i nostri risultati dimostrano che una pressione eccessiva può essere dannosa, rendendo la propagazione dei dendriti e il cortocircuito durante la carica più probabile."

Sir Peter Bruce, Wolfson Chair, professore di Materiali all'Università di Oxford, Chief Scientist dell'Istituto Faraday e corrispondente autore dello studio, ha detto: "Il processo con cui un metallo tenero come il litio può penetrare un elettrolita ceramico duro e altamente denso si è dimostrato difficile da capire, con molteplici importanti contributi di eccellenti scienziati in tutto il mondo. Speriamo che le ulteriori informazioni acquisite aiuteranno il progresso della ricerca sulle batterie a stato solido verso un dispositivo pratico."

Secondo un recente rapporto dell'Istituto Faraday, le SSB potrebbero soddisfare il 50% della domanda globale di batterie nell'elettronica dei consumatori, il 30% nei trasporti e oltre il 10% nell'aviazione entro il 2040.

Professor Pam Thomas, CEO, Faraday Institution, said: “SOLBAT researchers continue to develop a mechanistic understanding of solid-state battery failure – one hurdle that needs to be overcome before high-power batteries with commercially relevant performance could be realized for automotive applications. The project is informing strategies that cell manufacturers might use to avoid cell failure for this technology. This application-inspired research is a prime example of the type of scientific advances that the Faraday Institution was set up to drive.”