Un passo avanti verso le batterie al litio metallico che funzionano con una pressione esterna minima

Un team di ricercatori sulle batterie guidato dall’Università della California a San Diego e dall’Università di Chicago ha sviluppato una nuova metodologia per produrre l’elettrolita a stato solido a film sottile potenzialmente rivoluzionario chiamato ossinitruro di litio-fosforo (LiPON). Il team ha continuato a implementare la versione indipendente della pellicola LiPON nei test funzionali della batteria e ha scoperto che promuove una deposizione elettrochimica di litio metallico uniformemente densa sotto pressione esterna zero, con l'aiuto di uno stress di compressione interno e uno strato di semina d'oro. Questo lavoro, eseguito da un team di ricercatori sulle batterie guidato dall'Università della California a San Diego e dall'Università di Chicago, è stato pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology il 3 agosto 2023.

Il gruppo di ricerca è guidato dal ricercatore e professore Ying Shirley Meng, affiliato sia all’Università di Chicago che all’UC San Diego. Il primo autore è Diyi Cheng, un Ph.D. recentemente laureato. nel programma di scienza e ingegneria dei materiali presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego, che sta continuando i suoi sforzi di ricerca presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. Il team comprende anche ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory e della UC Berkeley.

LiPON è un elettrolita a stato solido a film sottile che conduce gli ioni di litio e mostra una forte promessa per l’abbinamento con un’ampia gamma di materiali per elettrodi per l’industria delle batterie al litio del futuro. Tuttavia, i metodi esistenti per produrre LiPON hanno impedito ai ricercatori di comprendere appieno il materiale. Ora, il team ha trovato un modo per produrre questo promettente elettrolita allo stato solido in una forma indipendente che consente di studiare il LiPON in modo più completo. Il nuovo approccio alla produzione di LiPON ha anche aperto la strada all’utilizzo di questo elettrolita allo stato solido per consentire batterie allo stato solido al litio metallico che potrebbero funzionare con una pressione esterna minima.

LiPON è stato originariamente sviluppato da un gruppo di scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory nel 1992. Nonostante i continui sforzi di ricerca negli ultimi tre decenni, rimane una sostanziale mancanza di una comprensione approfondita delle proprietà intrinseche del LiPON e delle interfacce associate, frenando la promessa e il progresso di materiali LiPON. Diversi fattori che portano a questo dilemma includono:

Date le note sfide legate allo studio dei LiPON, il team ha sviluppato una nuova metodologia per produrre pellicole LiPON in forma indipendente. Il risultato è una pellicola LiPON (FS-LiPON) flessibile e trasparente, compatibile con un'ampia gamma di tecniche spettroscopiche che hanno maggiori possibilità di svelare le proprietà uniche del LiPON rispetto alle tecniche basate sulla diffrazione. Questo progresso ha prodotto nuove conoscenze, descritte nel nuovo articolo di Nature Nanotechnology sulla chimica interfacciale, sulle proprietà termiche e sulle proprietà meccaniche del LiPON. Gli approfondimenti includono:

Oltre a raccogliere nuove informazioni fondamentali sul LiPON, il team di ricerca ha anche implementato la nuova versione indipendente dell'elettrolita a stato solido nei test funzionali delle batterie. Il team riferisce che il film sottile FS-LiPON promuove una deposizione elettrochimica di litio metallico uniformemente denso a pressione esterna pari a zero, con l'aiuto dello stress di compressione interno e di uno strato di semina dell'oro. Questa scoperta fornisce preziosi suggerimenti sull'ingegneria dell'interfaccia nelle batterie allo stato solido sfuse.

Le batterie a film sottile basate su LiPON hanno mostrato un grande potenziale per i dispositivi indossabili e altri dispositivi elettronici compatti con un mercato gigantesco. La pellicola FS-LiPON prodotta in questo lavoro descritta da Diyi Cheng et al. in Nature La nanotecnologia ha consentito discussioni approfondite sulla chimica dell'interfaccia, sulla diffusione ionica e sull'ingegneria dell'interfaccia, che hanno fatto luce sia sui fondamenti che sulle applicazioni dei materiali LiPON e potrebbero apportare benefici allo sviluppo delle batterie allo stato solido al litio in molti modi.

"Un elettrolita a film sottile di ossinitruro di litio e fosforo indipendente promuove la deposizione di litio metallico uniformemente denso senza pressione esterna", in Nature Nanotechnology il 3 agosto 2023.