La batteria più piccola del mondo cambierà tutto

Creata la batteria più piccola del mondo. Il traguardo è stato raggiunto dal team guidato dal professor Jianyu Huang, ricercatore dei Sandia National Laboratories. Non si tratta di un prodotto commerciale, infatti è stata sviluppata in ambiente controllato - TEM (transmission electron microscope) - per comprendere le dinamiche fondamentali delle batterie e fare progressi nella ricerca.

"Questo esperimento ci consente di studiare la carica e la scarica di una batteria in tempo reale e a una risoluzione su scala atomica, permettendoci di capire i meccanismi fondamentali ai quali lavorano le batterie", ha dichiarato Jianyu Huang.

L'uso di nanofili all'interno delle batterie agli ioni di litio offre un migliore potenziale rispetto agli elettrodi standard. Indagini più accurate sulle proprietà operative dei nanofili dovrebbero consentire sviluppi che potrebbero ripercuotersi su nuove generazioni di veicoli elettrici ibridi ricaricabili, portatili e cellulari.

"Le batterie agli ioni di litio hanno applicazioni molto importanti, ma le soluzioni attuali non possono rispettare la domanda. Per migliorare le prestazioni volevamo capire come lavorano le batterie agli ioni di litio e abbiamo pensato che il TEM potesse consentirci di fare nuova luce su questo problema".

I ricercatori hanno usato nanomateriali come anodi, ma alla rinfusa anziché individualmente - un processo che ricorda quello di "osservare una foresta e cercare di capire il comportamento di un solo albero", ha dichiarato Huang.

La piccola batteria creata è formata da un singolo nanofilo all'ossido di stagno che costituisce un anodo con un diametro di 100 nanometri e una lunghezza di 100 micrometri. Inoltre c'è un catodo all'ossido di litio-cobalto "bulk" lungo 3 millimetri e un elettrolita liquido ionico. Tale dispositivo offre la capacità di osservare direttamente il cambiamento nella struttura atomica durante i processi di carica e scarica.

I ricercatori hanno poi fatto una scoperta inattesa: il nanofilo all'ossido di stagno raggiunge una lunghezza quasi doppia durante la carica - molto più rispetto all'incremento del diametro - e ciò  potrebbe aiutare a evitare cortocircuiti e perciò salvaguardare la vita della batteria. "I produttori dovrebbe tenere conto nel design delle loro batterie di questa elongazione". Generalmente si pensava che le batterie si gonfiassero lungo il loro diametro, non longitudinalmente.

Il gruppo di Huang ha fatto questa scoperta seguendo la progressione degli ioni lungo il nanofilo. Durante questo processo i nanofili creano ciò che i ricercatori hanno battezzato "Medusa front", ovvero un'area dove l'alta densità delle dislocazioni mobili fa sì che il nanofilo si pieghi e muova fino a quando gli ioni scorrono. La rete delle dislocazioni è causata dalla penetrazione del litio nel reticolo cristallino. "Queste osservazioni dimostrano anche che i nanofili possono sostenere un grande stress (>10 GPa) indotto dalla litiazione, e ciò indica che i nanofili sono buoni candidati per gli elettrodi delle batterie", ha dichiarato Huang.

I ricercatori sono rimasti sorpresi di vedere elongazioni in lunghezza e dislocazioni. "Nessuno le aveva mai viste prima," ha detto Huang. "Le nostre osservazioni dicono a chi sviluppa batterie come dislocazioni ed elongazioni si generano, si evolvono durante la carica e offrono una regola su come mitigarle. Il nostro è lo sguardo più prossimo mai dato a ciò che succede durante la carica di una batteria".

L'espansione del volume indotta dalla litiazione, la plasticità e la polverizzazione dei materiali per gli elettrodi sono i maggiori difetti meccanici che, nelle batterie agli ioni di litio, si ripercuotono sulle prestazioni e la durata di vita degli anodi ad alta capacità. "Le nostre osservazioni sulle cinetiche strutturali e l'amorfizzazione (il cambiamento da una struttura cristallina normale) hanno implicazioni importanti per il design delle batterie ad elevata energia e nella mitigazione dei problemi".

Il livello di rumorosità elettronico generato dal sistema di misura dei ricercatori era troppo alto per leggere correnti elettriche, ma John Sullivan (co-autore dello studio) ha stimato che durante la carica e la scarica nel nanofilo scorre un livello di corrente di 1 picoampere. Il nanofilo è stato caricato a un potenziale di circa 3,5 volt.

Finora un'indagine in scala atomica del processo di carica e scarica di un singolo nanofilo non era stata possibile perché l'ambiente sottovuoto del TEM rendeva difficile usare un elettrolita liquido. Come parte delle scoperte effettuate, il gruppo di Huang ha dimostrato che un liquido ionico con vapore a bassa pressione - essenzialmente sale fuso - potrebbe funzionare in ambiente sottovuoto.

Sebbene il lavoro sia stato realizzato usando nanofili all'ossido di stagno (SnO2), gli esperimenti possono essere estesi ad altri materiali, sia per gli studi sugli anodi che sui catodi.

"La metodologia che abbiamo sviluppato dovrebbe stimolare studi estesi in tempo reale sui processi microscopici che avvengono nelle batterie e portare una migliore comprensione dei meccanismi che ne governano le prestazioni e la stabilità. I nostri esperimenti hanno stabilito le basi per studi sulle reazioni elettrochimiche e avranno un grande impatto sull'immagazzinamento dell'energia, sulla corrosione e l'elettrodeposizione e sul campo di ricerca generale della sintesi chimica", ha concluso Huang.