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I ricercatori affrontano una nuova sfida alla ricerca della prossima generazione di batterie al litio

2022-04-14

Di Jared Sagoff, Laboratorio Nazionale Argonne

La creazione della prossima generazione di batterie dipende dalla ricerca di materiali che forniscano una maggiore capacità di stoccaggio. Una varietà, nota come batterie al litio-aria (Li-aria), è particolarmente interessante per i ricercatori perché ha una capacità teorica significativamente superiore rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio.

Tuttavia, lo sviluppo della batteria Li-air è ancora agli inizi e, come la maggior parte delle nuove tecnologie, deve affrontare molte sfide. Una di queste sfide riguarda il trasferimento di carica all'anodo, che insieme al catodo e all'elettrolita è uno dei tre componenti principali di una batteria.

In un nuovo studio, l'elettrochimico Di-Jia (DJ) Liu ei suoi colleghi dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno studiato il comportamento degli anodi all'interno delle batterie al litio-aria durante il ciclo della batteria.

Utilizzando fasci di raggi X focalizzati ad alta energia forniti da Advanced Photon Source (APS) di Argonne, Liu e il suo team sono stati in grado di scrutare in modo non distruttivo all'interno di una batteria in funzione per studiare i cambiamenti nella microstruttura dell'anodo. Hanno visto la formazione di un sottile rivestimento solido di idrossido di litio (LiOH), che ha continuato a crescere a spese del metallo di litio fino a quando il metallo non è stato completamente convertito in idrossido e ha interrotto l'operazione.

"Questo era il tipo di domanda che tutti volevano sapere ma avevano paura o non sapevano come fare", ha detto Liu. "Quasi tutta la letteratura sulle batterie Li-aria finora si è concentrata sui processi chimici al catodo, assumendo che l'anodo sia completamente reversibile. Ma ora sappiamo che non è così".
Le indagini della squadra non si sono fermate qui. Poiché l'idrossido di litio non è uno ione o un materiale conduttore di elettroni, è rimasto un mistero capire come il rivestimento non impedisca alla batteria di funzionare non appena si forma. Utilizzando una tecnica di micro-tomografia tridimensionale presso l'APS, Liu ei suoi collaboratori sono stati in grado di eseguire una "tac scan" del rivestimento di idrossido e hanno trovato numerosi tunnel microscopici che si collegano al litio metallico all'anodo al resto della batteria.

"Questi tunnel fungono da canali di conduzione ionica che trasportano gli ioni di litio tra l'anodo e il catodo", ha detto Liu. "Hanno sostenuto il funzionamento della batteria Li-air ma non hanno fermato il decadimento dell'anodo".

Liu ritiene che una delle principali cause del problema dell'idrossido di litio potrebbe implicare la rottura dell'elettrolita della batteria, il mezzo che trasporta gli ioni di litio tra i due elettrodi. La decomposizione dell'elettrolita ha il potenziale per formare acqua vicino al catodo, che potrebbe quindi migrare verso l'anodo e reagire con il litio metallico.

Tuttavia, l'esperimento Argonne non ha rivelato alcun idrossido di litio vicino al catodo, che avrebbe dovuto essere presente se l'acqua si fosse formata dalla rottura dell'elettrolita. "Penso che abbiamo generato tante domande quante risposte attraverso questo studio, che è la parte eccitante della scienza", ha detto.

Questo lavoro è stato eseguito da un team tutto Argonne, inclusi gli scienziati della linea di luce John Okasinski, Peter Kenesei, Jonathan Almer e i dottorandi di chimica Jianglan Shui e Dan Zhao. È stato supportato dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dal Grand Challenge Program di Argonne. Il lavoro è stato pubblicato nel numero del 9 agosto di Nature Communications.