Interstrato di stagno: una soluzione rivoluzionaria per prevenire i cortocircuiti nelle batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio sono celebrate per la loro elevata densità energetica, le rapide capacità di ricarica e la capacità di resistere a numerosi cicli di carica-scarica. Tuttavia, una delle sfide più significative affrontate da queste batterie è la loro vulnerabilità ai cortocircuiti. Quando si verifica un cortocircuito, può causare una perdita improvvisa di tensione o una scarica brusca ad alta corrente, che può causare il guasto della batteria. Nei casi più gravi, i cortocircuiti possono persino causare il surriscaldamento, l'accensione o l'esplosione della batteria.

Comprendere i cortocircuiti nelle batterie agli ioni di litio

Un cortocircuito in una batteria agli ioni di litio si verifica in genere quando si verifica una connessione involontaria tra i due elettrodi della cella. Questa connessione può portare a un guasto catastrofico, soprattutto se si traduce in una rapida scarica di energia. Una delle cause principali dei cortocircuiti in queste batterie è la formazione di dendriti, strutture microscopiche simili ad alberi che crescono sugli elettrodi. Se questi dendriti si espandono abbastanza da raggiungere l'elettrodo opposto, possono causare un cortocircuito.

Il ruolo dei dendriti nel guasto della batteria

I dendriti sono strutture cristalline che  si formano durante il processo di carica, in particolare in condizioni in cui gli ioni di litio sono depositati in modo non uniforme sulle superfici degli elettrodi. Nel tempo, questi dendriti crescono e possono alla fine perforare il separatore che mantiene separati gli elettrodi, causando un cortocircuito. Ciò non solo rappresenta un rischio per la sicurezza, ma limita anche l'efficienza e la longevità della batteria.

Ricerca rivoluzionaria dell'Università di Alberta

I ricercatori dell'Università di Alberta (UAlberta), in collaborazione con la Canadian Light Source (CLS) presso l'Università di Saskatchewan (USask), hanno sviluppato un approccio innovativo per mitigare la formazione di dendriti nelle batterie agli ioni di litio allo stato solido. La loro ricerca, pubblicata su Materiali e interfacce applicati ACS journal, introduce uno strato intermedio saturo di stagno tra l'elettrodo e l'elettrolita. Questo strato di stagno disperde il litio durante la deposizione, creando una superficie più liscia che è meno favorevole alla formazione di dendriti.

Come funziona l'interstrato di stagno

L'interstrato di stagno agisce alterando la dinamica di deposizione del litio sull'elettrodo. Durante il processo di carica, il litio tende a depositarsi in un modo che può portare a superfici ruvide e irregolari, che sono soggette alla crescita dei dendriti. Lo strato saturo di stagno, tuttavia, promuove una deposizione più uniforme del litio, con conseguente superficie liscia e resistente ai dendriti. Ciò riduce significativamente la probabilità di cortocircuiti e migliora la stabilità complessiva della batteria.

Prestazioni migliorate con strutture ricche di stagno

I ricercatori dell'UAlberta hanno scoperto che le batterie dotate di questo interstrato ricco di stagno possono gestire correnti molto più elevate e sopportare più cicli di carica-scarica rispetto alle celle standard. Questo miglioramento non solo prolunga la durata della batteria, ma la rende anche più sicura per applicazioni ad alte prestazioni, come nei veicoli elettrici o nei sistemi di accumulo di energia su larga scala.

Importanza della linea di luce HXMA nella ricerca

Il professore associato Lingzi Sang della Facoltà di Scienze (Chimica) dell'UAlberta ha sottolineato il ruolo cruciale della linea di luce HXMA presso il CLS nella loro ricerca. La linea di luce ha consentito al team di osservare e comprendere i cambiamenti strutturali sulla superficie del litio in tempo reale, a livello di materiale, all'interno di una batteria attiva. Ciò ha approfondito la loro comprensione di come l'interstrato di stagno sopprima la formazione di dendriti e riduca i rischi di cortocircuito.

Precedenti scoperte e il futuro della sicurezza delle batterie

Non è la prima volta che il team UAlberta esplora il potenziale dello stagno come strato protettivo. In uno studio precedente, hanno dimostrato che un rivestimento di stagno potrebbe anche prevenire la formazione di dendriti nelle batterie agli ioni di litio basate su elettrolita liquido. Questi risultati cumulativi indicano una più ampia applicabilità della tecnologia dell'interstrato di stagno in diversi tipi di batterie agli ioni di litio.

Implicazioni industriali e direzioni future

Secondo il professor Sang, lo sviluppo di questa tecnica di interstrato di stagno ha un potenziale significativo per l'applicazione industriale. Il prossimo passo per il team di ricerca è sviluppare un metodo conveniente e scalabile per integrare questo strato protettivo nel processo di produzione di batterie agli ioni di litio. Se avrà successo, questo potrebbe portare a una nuova generazione di batterie più sicure e affidabili, con un uso commerciale diffuso.