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3d Imaging: in real-time i segreti della vita delle batterie al litio metallico

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Immagine di Chalmers University of Technology

Un gruppo di ricercatori ha trovato il modo di “fotografare” in tempo reale con immagini in 3D i processi che animano le batterie al litio metallico, consentendo ulteriori avanzamenti tecnologici.

L’interessante processo scientifico si è svolto in Svezia, presso la Chalmers University of technology: qui un gruppo di ricerca è riuscito a osservare in tempo reale il comportamento del litio metallico all’interno di una cella durante le fasi di carica e scarica.

Grazie alle immagini in 3D ora si avranno a disposizione maggiori informazioni sui processi interni alle batterie che aiuteranno la progettazione di batterie con una maggiore capacità e una maggiore sicurezza, da impiegare nelle automobili e nei dispositivi di accumulo del futuro.

Sviluppare una nuova generazione di batterie al Litio metallico

L’intera industria sta lavorando sullo sviluppo di una nuova generazione di batterie che consenta quell’elettrificazione necessaria alla transizione ecologica.

Oggi siamo vicini allo sviluppo di nuove batterie, come quelle al litio-metallo, che possano sostituire le attuali batterie agli ioni di litio. L’intento è arrivare a produrre batterie energeticamente più dense e più sicure a un costo inferiore, sia dal punto di vista finanziario che ambientale.

Le batterie allo stato solido, le batterie al litio-zolfo e le batterie al litio-ossigeno sono tra le alternative più promettenti. Tutti questi sviluppi si basano sull’idea che l’anodo della batteria sia costituito da un metallo di litio anziché dalla grafite presente nelle batterie attuali.

Senza grafite, la cella della batteria sarà più leggera e, con il litio metallico come anodo, sarà anche possibile utilizzare materiali catodici ad alta capacità. In questo modo si otterrà una densità energetica da tre a cinque volte superiore all’attuale.

Il litio forma microstrutture indesiderate

Tuttavia, le batterie al litio metallico presentano un problema da risolvere: quando la batteria viene caricata o scaricata, il litio non si deposita sempre in modo piatto e liscio come dovrebbe.

esperimento
Immagine di Chalmers University of Technology

Spesso forma microstrutture muschiose o dendriti, lunghe strutture simili ad aghi, e parti del litio depositato possono rimanere isolate e quindi inattive.

I dendriti (aggregati cristallino dall’aspetto arborescente che si possono formare nella massa fusa di un metallo durante la fase di lenta solidificazione), inoltre, rischiano di raggiungere l’altro elettrodo della batteria e di provocare un cortocircuito.

È quindi fondamentale capire quando, come e perché si formano queste strutture. Ecco, allora, l’importanza di quanto ottenuto dal team di ricerca svedese, che ha fotografato i processi interni alle celle.

Ci spiega Aleksandar Matic, responsabile dello studio scientifico pubblicato su Nature Communications, “abbiamo aperto una nuova finestra per comprendere – e a lungo termine ottimizzare – le batterie al litio metallico del futuro. Quando possiamo studiare esattamente ciò che accade al litio in una cella durante il ciclo, otteniamo importanti conoscenze su ciò che influenza il suo funzionamento interno“.

Per poter utilizzare questa tecnologia nella prossima generazione di batterie, dobbiamo capire come una cella sia influenzata da fattori quali la densità di corrente, la scelta dell’elettrolita e il numero di cicli. Ora abbiamo uno strumento per farlo“, conferma Matthew Sadd, autore principale dello studio insieme al collega Shizhao Xiong.

L’esperimento per osservare la formazione di microstrutture di litio in una cella funzionante è stato condotto presso la Swiss Light Source, a Zurigo.

I ricercatori hanno preparato una cella di batteria appositamente progettata per studiare il deposito del litio, in tempo reale e in 3D, utilizzando la microscopia tomografica a raggi-X. Ora il team di ricerca intende testare la tecnica su altri tipi di batterie.

Maggiori informazioni sulla ricerca

L’articolo – scritto dai ricercatori Matthew Sadd, Shizhao Xiong, Jacob R. Bowen, Federica Marone e Aleksandar Matic, che lavorano presso Chalmers university of technology in Svezia, Xnovo Technology ApS in Danimarca e l’Istituto Paul Scherrer presso la Swiss Light Source in Svizzera – è stato pubblicato su Nature Communications: Investigating microstructure evolution of lithium metal during plating and stripping via operando X-ray tomographic microscopy.

La ricerca è stata finanziata da Vinnova, dal centro di eccellenza Base e dall’Energy Area of Advance di Chalmers.

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