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Gli scienziati imparano di più sulle prime ore di vita di una batteria agli ioni di litio

2021-08-09


Gli scienziati caricano una batteria agli ioni di litio appositamente progettata in uno spettrometro di massa a ioni secondari che consente loro di vedere la formazione dell'interfase solido-elettrolita a livello molecolare mentre la batteria è in funzione. Credito: Andrea Starr/PNNL

 

Le prime ore di vita di una batteria agli ioni di litio determinano in gran parte le sue prestazioni. In quei momenti, un insieme di molecole si autoassembla in una struttura all'interno della batteria che influenzerà la batteria per gli anni a venire.

 

Questo componente, noto come interfase elettrolita solido o SEI, ha il compito cruciale di bloccare alcune particelle consentendo ad altre di passare, come un buttafuori di una taverna che respinge gli indesiderabili lasciando entrare i glitterati. La struttura è stata un enigma per gli scienziati che l'hanno studiata per decenni. I ricercatori hanno sfruttato più tecniche per saperne di più, ma non ne avevano mai assistito alla creazione a livello molecolare.

 

Conoscere di più sul SEI è un passo cruciale sulla strada per creare batterie agli ioni di litio più energiche, più durature e più sicure.

 

Il lavoro pubblicato il 27 gennaio su Nature Nanotechnology è stato eseguito da un team internazionale di scienziati guidato da ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e del Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti. Gli autori corrispondenti includono Zihua Zhu, Chongmin Wang e Zhijie Xu del PNNL e Kang Xu del Laboratorio di ricerca dell'esercito americano.

 

Perché le batterie agli ioni di litio funzionano: il SEI

 

L'interfase solido-elettrolita è una pellicola molto sottile di materiale che non esiste quando viene costruita una batteria per la prima volta. Solo quando la batteria viene caricata per la prima volta le molecole si aggregano e reagiscono elettrochimicamente per formare la struttura, che funge da gateway consentendo agli ioni di litio di passare avanti e indietro tra l'anodo e il catodo. Fondamentalmente, il SEI costringe gli elettroni a fare una deviazione, che mantiene la batteria in funzione e rende possibile l'accumulo di energia.

 

È grazie al SEI che abbiamo batterie agli ioni di litio per alimentare i nostri telefoni cellulari, laptop e veicoli elettrici.

 

Ma gli scienziati devono saperne di più su questa struttura del gateway. Quali fattori separano i glitterati dalla marmaglia in una batteria agli ioni di litio? Quali sostanze chimiche devono essere incluse nell'elettrolita e in quali concentrazioni affinché le molecole si formino nelle strutture SEI più utili in modo che non assorbano continuamente molecole dall'elettrolita, danneggiando le prestazioni della batteria?

 

Gli scienziati lavorano con una varietà di ingredienti, prevedendo come si combineranno per creare la struttura migliore. Ma senza ulteriori conoscenze su come viene creata l'interfase solido-elettrolita, gli scienziati sono come chef che si destreggiano tra gli ingredienti, lavorando con libri di cucina scritti solo in parte.


 


Zihua Zhu e Chongmin Wang fanno parte del team che ha appreso nuove informazioni cruciali sulla creazione di un componente chiave delle batterie agli ioni di litio. Credito: Andrea Starr/PNNL

 

Esplorare le batterie agli ioni di litio con la nuova tecnologia

 

Per aiutare gli scienziati a comprendere meglio il SEI, il team ha utilizzato la tecnologia brevettata di PNNL per analizzare la struttura così come è stata creata. Gli scienziati hanno utilizzato un raggio ionico energetico per scavare un tunnel in una SEI appena formata in una batteria funzionante, inviando parte del materiale nell'aria e catturandolo per l'analisi, basandosi sulla tensione superficiale per aiutare a contenere ilelettrolita liquido. Quindi il team ha analizzato i componenti SEI utilizzando uno spettrometro di massa.

 

L'approccio brevettato, noto come spettrometria di massa di ioni secondari liquidi in situ o SIMS liquido, ha consentito al team di dare uno sguardo senza precedenti al SEI mentre si formava ed eludere i problemi presentati da una batteria agli ioni di litio funzionante. La tecnologia è stata creata da un team guidato da Zhu, basandosi sul precedente lavoro SIMS del collega PNNL Xiao-Ying Yu.

 

"La nostra tecnologia ci offre una solida comprensione scientifica dell'attività molecolare in questa struttura complessa", ha affermato Zhu. "I risultati potrebbero potenzialmente aiutare altri a personalizzare la chimica dell'elettrolita e degli elettrodi per creare batterie migliori".

 

u.Collaborano i ricercatori dell'Esercito S. e del PNNL

 

Il team del PNNL si è connesso con Kang Xu, un ricercatore del Laboratorio di ricerca dell'esercito americano ed esperto di elettroliti e SEI, e insieme hanno affrontato la questione.

Gli scienziati hanno confermato ciò che i ricercatori sospettavano: il SEI è composto da due strati. Ma il team è andato molto oltre, specificando la precisa composizione chimica di ogni strato e determinando i passaggi chimici che si verificano in una batteria per realizzare la struttura.

Il team ha scoperto che uno strato della struttura, accanto all'anodo, è sottile ma denso; questo è lo strato che respinge gli elettroni ma consente il passaggio degli ioni di litio. Lo strato esterno, proprio accanto all'elettrolita, è più spesso e media le interazioni tra il liquido e il resto del SEI. Lo strato interno è un po' più duro e quello esterno è più liquido, un po' come la differenza tra farina d'avena cruda e troppo cotta.

 

Il ruolo del fluoruro di litio

 

Un risultato dello studio è una migliore comprensione del ruolo del fluoruro di litio nell'elettrolita utilizzatobatterie agli ioni di litio. Diversi ricercatori, tra cui Kang Xu, hanno dimostrato che le batterie con SEI più ricche di fluoruro di litio hanno prestazioni migliori. Il team ha mostrato come il fluoruro di litio diventa parte dello strato interno del SEI e i risultati offrono indizi su come incorporare più fluoro nelstruttura.

 

"Con questa tecnica, impari non solo quali molecole sono presenti, ma anche come sono strutturate", afferma Wang. "Questa è la bellezza di questa tecnologia."