La meccanica delle batterie allo stato solido: un nuovo approccio per migliorare prestazioni e durata
Le batterie sono componenti essenziali nella nostra vita quotidiana, alimentando dispositivi elettronici e veicoli elettrici. Tuttavia, con l’uso, i materiali all’interno delle batterie si consumano gradualmente, influenzando le prestazioni e la durata della batteria stessa. Un team di ricercatori presso il Laboratorio Nazionale di Oak Ridge del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha sviluppato un quadro per la progettazione di batterie allo stato solido (SSB) con un focus particolare sulla meccanica.
La meccanica nel rendimento delle batterie
L’importanza della meccanica
Il team di ricerca ha sottolineato l’importanza della meccanica nel rendimento delle batterie. Mentre molti studi si sono concentrati sulle proprietà chimiche o elettriche delle batterie, la meccanica sottostante è stata spesso trascurata. Questo nuovo approccio mira a comprendere come le forze fisiche di stress e deformazione influenzino le prestazioni e la durata delle batterie.
Un approccio interdisciplinare
Il team di ricerca, che comprende esperti in computazione, chimica e scienza dei materiali, ha fornito una visione più completa delle condizioni che influenzano le SSB, utilizzando prospettive da tutto lo spettro scientifico. L’obiettivo è colmare il divario tra le diverse discipline per una comprensione più approfondita delle batterie allo stato solido.
Elettroliti solidi: un’alternativa più sicura e resistente
Vantaggi degli elettroliti solidi
Nelle batterie, le particelle cariche fluiscono attraverso materiali noti come elettroliti. La maggior parte degli elettroliti sono liquidi, come nelle batterie agli ioni di litio utilizzate nelle auto elettriche, ma si stanno sviluppando anche elettroliti solidi. Questi conduttori, tipicamente realizzati in vetro o ceramica, potrebbero offrire vantaggi come una maggiore sicurezza e resistenza.
Sfide nello sviluppo delle batterie allo stato solido
Tuttavia, gli elettroliti solidi sono ancora in una fase iniziale di sviluppo a causa delle sfide associate a questi materiali innovativi. I componenti delle SSB si gonfiano e si restringono durante la carica e il trasporto di massa, alterando il sistema. Questi cambiamenti dimensionali danneggiano gli elettroliti solidi, che sono realizzati con materiali fragili e spesso si rompono in risposta a sforzi e pressioni.
Ingegnerizzazione degli anodi e degli elettroliti solidi
Ottimizzazione degli anodi
Gli elettroni lasciano un sistema attraverso gli anodi. Nelle SSB, questo componente può essere realizzato in litio puro, che è il metallo più denso di energia. Sebbene questo materiale offra vantaggi per la potenza di una batteria, crea anche pressione che può danneggiare gli elettroliti.
Migliorare la duttilità degli elettroliti
Per ottimizzare le prestazioni e la longevità delle SSB, è necessario progettare la prossima generazione di anodi e elettroliti solidi che possano mantenere interfacce meccanicamente stabili senza fratturare il separatore di elettrolito solido. Alcune tecniche che introducono piccoli difetti cristallini negli elettroliti ceramici possono rendere questi materiali più duttili, consentendo loro di resistere allo stress fluenzando invece di incrinarsi.
Il lavoro del team fa parte della lunga storia di ricerca sui materiali per le SSB presso ORNL. Negli anni ’90, è stato sviluppato un elettrolito vetroso noto come LiPON, che è diventato ampiamente utilizzato come elettrolito nelle batterie a film sottile con anodo in litio metallico. Questo componente può sopportare molti cicli di carica-scarica senza guasti, in gran parte grazie alla duttilità del LiPON.
Lo sforzo del team evidenzia un aspetto poco studiato delle SSB: comprendere i fattori che ne modellano la durata e l’efficacia. Con il loro lavoro, i ricercatori hanno fornito una “mappa stradale” per la comunità scientifica, delineando la meccanica dei materiali per gli elettroliti allo stato solido e incoraggiando gli scienziati a considerare questi aspetti nella progettazione di nuove batterie.