La NMR rivela i meccanismi di guasto della batteria al litio
A differenza delle batterie agli ioni di litio o agli ioni di sodio che si trovano normalmente in stoccaggio in rete, veicoli elettrici e dispositivi elettronici portatili, le batterie con un elettrodo metallico puro non sono ancora ricaricabili. Durante la ricarica, delle sottili strutture metalliche, chiamate dendriti, spuntano dalla superficie dell’elettrodo e si espandono attraverso l’elettrolita fino a raggiungere l’elettrodo opposto. La loro formazione può rappresentare un rischio per la sicurezza della batteria, che come conseguenza si surriscalda o prende persino fuoco. Nell’ambito di BATTINSITU (In-situ nuclear magnetic resonance investigation of the critical failure mechanism of lithium batteries: toward safer, highly reliable and energy dense storage), gli scienziati hanno applicato con successo dei metodi in situ per valutare la natura del litio metallico cresciuto sugli anodi di litio metallico. Mediante l’uso della spettroscopia NMR, il team del progetto si è concentrato sull’impatto che differenti materiali per elettrolita e separatore del litio possono avere sulla morfologia dei dendriti. Al contrario degli elettroliti con carbonati comunemente usati, si è scoperto che gli elettroliti ionici liquidi causano una distribuzione sparsa dei dendriti, principalmente perché il trasporto ionico verso l’elettrodo è molto più basso. A meno che l’elettrodo non fosse completamente incapsulato, i dendriti si formavano attorno ai bordi dei dischi del separatore per tutti i materiali del separatore sottoposti a test. Per la prima volta, gli scienziati hanno applicato la NMR per ottenere informazioni risolte nel tempo sulle batterie al sodio, che sono dei candidati interessanti per sostituire le batterie al litio per via dell’abbondanza del sodio. Ancora una volta il team ha riferito la formazione di dendriti di sodio; i depositi di sodio metallico con un’area superficiale molto ampia hanno continuato ad accumularsi anche quando la ricarica veniva effettuata con correnti basse. Dopo aver invertito la direzione della corrente e aver effettuato la ricarica con correnti elevate, il team ha scoperto che i depositi metallici non potevano essere eliminati efficacemente dagli elettrodi nel tempo. Gli ioni di sodio hanno anche dimostrato una mobilità sorprendentemente elevata, molto più alta degli ioni di litio in un analogo sistema al litio. Usando questo potente metodo non invasivo in situ, ovvero la NMR, gli scienziati hanno acquisito una comprensione unica dell’interno delle batterie al litio e al sodio. La ricerca effettuata dal progetto rappresenta lo sviluppo di soluzioni adeguate e tempestive per aiutare la transizione dall’energia non rinnovabile a un’energia sostenibile e più sicura.
Parole chiave
NMR, batterie al litio, energia rinnovabile, sodio, dendriti
