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Migliori batterie agli ioni di litio possibili con vista molecolare su nanoscala della struttura autoassemblante

2021-06-16
TEMI:
Batteria,Tecnologia,DOE,Ingegneria elettrica,Ioni di litio,Nanotecnologia,Laboratorio nazionale nord-ovest del Pacifico,U.S. Laboratorio di ricerca dell'esercito
Di DOE/PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORTORY 6 FEBBRAIO 2020



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. Attestazione: Andrea Starr/PNNL

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

Le prime ore di vita di una batteria agli ioni di litio determinano in gran parte quanto bene funzionerà. 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.



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 2020 su Nature Nanotechnology, è stato eseguito da un team internazionale di scienziati guidati 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 dell'U.S. Army Research Laboratory.

Perché le batterie agli ioni di litio funzionano: SEI

L'interfase solido-elettrolita è un film molto sottile di materiale che non esiste quando una batteria viene costruita 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.



La creazione di batterie agli ioni di litio più durature, più sicure e più energiche è in cima alla lista delle priorità per gli scienziati del PNNL. Le batterie sono onnipresenti oggi: nelle auto elettriche, nei laptop, negli strumenti e nei telefoni cellulari.

Ma gli scienziati devono saperne di più su questa struttura di gateway. Quali fattori separano i brillantini dalla gentaglia 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 da non assorbire 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 gli chef che si destreggiano tra gli ingredienti, lavorando con libri di cucina scritti solo parzialmente.

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 del PNNL per analizzare la struttura così come è stata creata. Gli scienziati hanno utilizzato un fascio di ioni energetico per creare un tunnel in un SEI appena formato in una batteria funzionante, inviando parte del materiale nell'aria e catturandolo per l'analisi facendo affidamento sulla tensione superficiale per aiutare a contenere l'elettrolita 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 permesso al team di dare uno sguardo senza precedenti al SEI mentre si formava e di evitare 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 Xiao-Ying Yu della PNNL.

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

Collaborano i ricercatori dell'esercito americano e del PNNL

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

Gli scienziati hanno confermato ciò che i ricercatori sospettavano: che 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.



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. Attestazione: Andrea Starr/PNNL

Il team ha scoperto che uno strato della struttura, vicino 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 più tardi è più liquido, un po' come la differenza tra farina d'avena poco cotta 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 utilizzato nelle batterie 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 nella struttura.

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



Un'illustrazione della tecnologia SIMS liquida che gli scienziati hanno utilizzato per saperne di più sulle batterie agli ioni di litio. Gli scienziati usano un fascio di ioni energetici (giallo) per creare tunnel attraverso l'anodo (arancione), che è attaccato sotto una sottile membrana di nitruro di silicio. Quando il raggio colpisce l'interfaccia elettrodo-elettrolita dove si forma l'interfase solido-elettrolita (SEI), le sue molecole si disperdono nell'aria e sono disponibili per l'analisi da parte di uno spettrometro di massa. L'apertura è così stretta che la tensione superficiale impedisce la diffusione dell'elettrolita. Credito: illustrazione per gentile concessione di Journal of Physical Chemistry Letters, 1 gennaio 2019. Copyright 2019 American Chemical Society.

Riferimento: "Caratterizzazione spettrometrica di massa in tempo reale dell'interfase solido-elettrolita di una batteria agli ioni di litio" di Yufan Zhou, Mao Su, Xiaofei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao, Wu Xu, Donald R. Baer, ​​Yingge Du, Oleg Borodin, Yanting Wang, Xue-Lin Wang, Kang Xu, Zhijie Xu, Chongmin Wang e Zihua Zhu, 27 gennaio 2020, Nanotecnologia della natura.
DOI: 10.1038/s41565-019-0618-4

La parte PNNL della ricerca pubblicata su Nature Nanotechnology è stata finanziata da PNNL, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Vehicle Technologies Office e US-Germany Cooperation on Energy Storage. Il lavoro di Kang Xu è stato finanziato dall'Office of Science Joint Center for Energy Storage Research del DOE. L'analisi del SIMS liquido è stata eseguita presso l'EMSL, l'Environmental Molecular Sciences Laboratory, una struttura utente dell'Office of Science del DOE situata al PNNL.

Oltre a Xu, Wang e Zhu, gli autori del PNNL includono Yufan Zhou, Mao Su, Xiafei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao, Wu Xu, Donald R. Baer e Yingge Du.