I Neutroni permettono di progettare batterie allo Stato Solido più efficienti e sicure

Un team di scienziati guidati dalla Duke University ha scoperto come realizzare batterie più sicure, che si ricaricano più rapidamente e hanno una durata di vita più lunga.

Questa scoperta è stata ottenuta grazie a una più approfondita comprensione del movimento a livello atomico del litio all’interno di un promettente materiale per batterie a stato solido, il cloruro di litio-fosforo-solfuro (Li6PS5Cl). A questo scopo, i ricercatori hanno condotto una ricerca di scattering neutronico presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

“La nostra ricerca mirava a capire cosa succede all’interno di questi materiali utilizzando la potenza dello scattering di neutroni e simulazioni al computer su larga scala”, ha dichiarato Olivier Delaire, professore associato alla Duke University e leader del team di ricerca.

Il cloruro di litio fosforo e zolfo (Li6PS5Cl) è un tipo di materiale per batterie a stato solido noto come composto superionico.

“I materiali superionici rappresentano un regime intermedio tra gli stati cristallini e liquidi della materia”, spiegano i ricercatori nello studio.

Combinare esperimento e calcolo

Il team ha utilizzato i neutroni della Spallation Neutron Source (SNS) dell’ORNL per studiare la struttura atomica di questo materiale.

Questi esperimenti sono stati abbinati a sofisticate simulazioni al computer eseguite presso il National Energy Research Scientific Computing Center. Questa combinazione di approcci sperimentali e computazionali ha fornito una visione dettagliata, a livello atomico, del comportamento degli ioni di litio all’interno del solido.

Hanno scoperto che in questo materiale solido gli ioni di litio si muovono con la stessa facilità con cui si muovono negli elettroliti liquidi. Questa osservazione è cruciale perché la mobilità degli ioni è fondamentale per il funzionamento delle batterie.

Batterie allo stato solido

Affinché la carica e la scarica avvengano, gli ioni devono muoversi liberamente tra i terminali della batteria. La facilità con cui il litio si muove in questo materiale solido suggerisce il potenziale per una carica più veloce e più sicura.

Questi risultati potrebbero portare alla creazione di elettroliti allo stato solido (SSE) di prossima generazione, che combinano i vantaggi degli elettroliti solidi e liquidi.

“Le due grandi sfide, ma anche opportunità, che abbiamo di fronte sono la comprensione del funzionamento di questi materiali e la progettazione della prossima generazione di batterie. La diffusione dei neutroni è necessaria per la progettazione di questi materiali”, ha osservato Delaire.

Il ruolo cruciale dei neutroni 

Se da un lato gli ESS offrono vantaggi come una maggiore densità di energia, una maggiore sicurezza e una minore combustibilità rispetto agli elettroliti liquidi, dall’altro hanno dovuto affrontare sfide dovute alla minore mobilità degli ioni. Gli ioni devono muoversi liberamente per caricarsi e scaricarsi, e gli elettroliti liquidi sono tradizionalmente più efficienti in questo senso.

Il team ha utilizzato i neutroni per studiare il comportamento del litio, perché i neutroni sono particolarmente sensibili agli elementi più leggeri come il litio, fornendo informazioni cruciali sul materiale superionico allo stato solido.

“I neutroni forniscono informazioni su dove avvengono le cose che altrimenti non saremmo in grado di vedere”, ha dichiarato Doug Abernathy, responsabile del gruppo di spettroscopia a geometria diretta della SNS.

Utilizzando le tecniche di spettroscopia neutronica dell’SNS, tra cui l’ARCS (Wide Angular-Range Chopper Spectrometer) e il BASIS (Backscattering Spectrometer), gli scienziati hanno misurato e modellato la diffusione del litio, rivelando la sua sorprendente facilità di movimento all’interno del materiale solido.

Impatto e tendenze della ricerca

“I nostri risultati sono importanti perché aprono la strada all’ottimizzazione della conduttività degli ioni all’interno del materiale e quindi all’aumento delle prestazioni delle batterie”, ha concluso Naresh Osti, scienziato esperto di scattering di neutroni presso l’ORNL.

Il settore energetico è attualmente in fermento per gli sviluppi relativi alle batterie allo stato solido.
Poiché promettono di rivoluzionare diversi settori, dai veicoli elettrici ai dispositivi di stoccaggio dell’energia, i ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di far progredire queste batterie.
Di recente, un team di ricerca giapponese ha creato una batteria quasi-solida agli ioni di litio (LIB) non infiammabile.

Inoltre, la startup statunitense QuantumScape ha avviato la produzione in bassi volumi delle sue celle B-sample, che si caricano fino all’80% in 15 minuti e offrono una densità energetica di 800 Wh/L.