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Chiarire il modo in cui gli ioni di litio viaggiano nelle batterie ricaricabili

2022-05-09
A cura dell'Istituto di Scienze di Base


Sebbene la maggior parte dei nostri dispositivi elettronici, come telefoni cellulari, laptop e veicoli elettrici utilizzi batterie ricaricabili al litio, ciò che accade al loro interno non è del tutto chiaro. I ricercatori del Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics, all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) sono riusciti ad osservare in tempo reale la dinamica ultraveloce degli ioni di litio con risoluzione temporale di femtosecondi (1/1.000.000.000.000.000 di secondo). Questi risultati aiutano a spiegare cosa succede durante il processo di carica e scarica: una pietra miliare per le batterie avanzate con prestazioni migliori. Pubblicato su Nature Communications, questo studio rivela le interazioni tra ioni di litio ed elettroliti, che sono molecole organiche che circondano gli ioni di litio e conducono elettricità, e sono stati in grado di concludere che la teoria esistente sulla diffusione degli ioni nelle batterie ricaricabili al litio non è completamente corretta.

In una tipica batteria ricaricabile al litio commerciale, gli ioni di litio disciolti negli elettroliti si spostano dal polo positivo a quello negativo della batteria quando la batteria è in carica. E migrano in modo opposto, quando la batteria è in uso. La mobilità agli ioni di litio determina le prestazioni della batteria ricaricabile al litio e determina la velocità con cui possono caricarsi e scaricarsi.

Gli ioni di litio, però, non migrano da soli, sono circondati da elettroliti che facilitano il viaggio da un polo all'altro. Attualmente, gli elettroliti nelle nostre batterie ricaricabili al litio sono tipicamente composti da una miscela di: carbonato di etilene (EC), carbonato di dimetile (DMC) e carbonato di dietile (DEC) in uguale concentrazione. Si ritiene che gli ioni di litio si associno principalmente all'EC, formando il cosiddetto "guscio di solvatazione" o "guaina di solvatazione", mentre DMC e DEC stanno solo migliorando il movimento di questi gusci tra i poli delle batterie, come "lubrificanti". Tuttavia, mentre la maggior parte degli studi precedenti si è concentrata sulle proprietà statiche del legame tra elettroliti e ioni di litio, questo studio chiarisce la dinamica del legame. Come in un film, in cui una serie di immagini fisse visualizzate rapidamente una dopo l'altra creano l'effetto dei movimenti, gli scienziati dell'IBS hanno scattato foto rapide per analizzare la formazione e la rottura di questi legami. Tuttavia, mentre i filmati vengono generalmente filmati e visualizzati a 24 immagini fisse al secondo, questi "scatti" di misurazione sono stati effettuati a intervalli di tempo di appena femtosecondi.


Grazie a uno strumento chiamato spettroscopia infrarossa bidimensionale, il team ha misurato il modo in cui gli ioni di litio si legano agli atomi di ossigeno del DEC e ha scoperto che questi legami si rompono e si formano nel giro di 2-17 picosecondi (1/1.000.000.000.000 di secondo). La scala temporale è simile per DMC. Ciò significa che DMC e DEC sono più che semplici "lubrificanti", fanno anche parte del guscio di solvatazione insieme all'EC e possono svolgere un ruolo attivo nel trasporto di ioni di litio al polo della batteria.

"Si credeva che l'EC creasse un guscio rigido attorno agli ioni di litio durante la migrazione tra gli elettrodi. Tuttavia, questo studio mostra che il guscio del solvente non è così rigido, viene costantemente ristrutturato durante il trasporto di ioni", spiega il professor CHO Minhaeng. E conclude: "Per questo motivo, è inevitabile rivedere la teoria della diffusione degli ioni di litio esistente".

Il team di ricerca sta lavorando a uno studio di follow-up per stabilire una nuova teoria del processo di diffusione degli ioni di litio e sta costruendo un nuovo strumento di spettroscopia laser ad altissima velocità in grado di osservare la reazione chimica e filmarla sopra gli elettrodi delle batterie ricaricabili.