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Decifrare il codice di un'anomalia scientifica: risolto il mistero vecchio di decenni dello stoccaggio delle batterie agli ioni di litio

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia delle batterie,Energia,Scienza dei materiali,Popolare,Università del Texas ad Austin,Batteria agli ioni di litio
A cura dell'UNIVERSITÀ DEL TEXAS AD AUSTIN 2 SETTEMBRE 2020


Sistema di test della batteria nel laboratorio del Dr. Yu per lo sviluppo di materiali avanzati per elettrodi. Credito: Università del Texas ad Austin

Per anni, i ricercatori hanno mirato a saperne di più su un gruppo di ossidi metallici che si mostrano promettenti come materiali chiave per la prossima generazione di batterie agli ioni di litio a causa della loro misteriosa capacità di immagazzinare molta più energia di quanto dovrebbe essere possibile. Un team di ricerca internazionale, co-guidato dall'Università del Texas ad Austin, ha decifrato il codice di questa anomalia scientifica, abbattendo una barriera alla costruzione di sistemi di accumulo di energia a batteria ultraveloci.

Il team ha scoperto che questi ossidi metallici possiedono modi unici per immagazzinare energia oltre i classici meccanismi di immagazzinamento elettrochimico. La ricerca, pubblicata su Nature Materials, ha trovato diversi tipi di composti metallici con una capacità di accumulo di energia fino a tre volte superiore rispetto ai materiali comuni nelle attuali batterie agli ioni di litio disponibili in commercio.

Decodificando questo mistero, i ricercatori stanno aiutando a sbloccare batterie con una maggiore capacità energetica. Ciò potrebbe significare batterie più piccole e più potenti in grado di fornire rapidamente ricariche per qualsiasi cosa, dagli smartphone ai veicoli elettrici.

"Per quasi due decenni, la comunità di ricerca è rimasta perplessa dalle capacità anormalmente elevate di questi materiali oltre i loro limiti teorici", ha affermato Guihua Yu, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria meccanica Walker presso la Cockrell School of Engineering e uno dei leader del progetto. "Questo lavoro dimostra la primissima prova sperimentale che mostra che la carica extra è immagazzinata fisicamente all'interno di questi materiali tramite un meccanismo di stoccaggio della carica spaziale".



Sistema di test della batteria nel laboratorio del Dr. Yu per lo sviluppo di materiali avanzati per elettrodi. Credito: Università del Texas ad Austin

Per dimostrare questo fenomeno, il team ha trovato un modo per monitorare e misurare come gli elementi cambiano nel tempo. Al progetto hanno partecipato ricercatori dell'UT, del Massachusetts Institute of Technology, dell'Università di Waterloo in Canada, dell'Università di Shandong in Cina, dell'Università di Qingdao in Cina e dell'Accademia cinese delle scienze.

Al centro della scoperta ci sono gli ossidi di metalli di transizione, che sono composti che includono ossigeno legato a metalli di transizione come ferro, nichel e zinco. L'energia può essere immagazzinata all'interno degli ossidi metallici, al contrario dei metodi tipici che vedono gli ioni di litio entrare e uscire da questi materiali o convertire le loro strutture cristalline per l'immagazzinamento di energia. E i ricercatori mostrano che la capacità di carica aggiuntiva può essere immagazzinata anche sulla superficie delle nanoparticelle di ferro formate durante una serie di processi elettrochimici convenzionali.

Secondo la ricerca, un'ampia gamma di metalli di transizione può sbloccare questa capacità extra e condividono un filo conduttore: la capacità di raccogliere un'alta densità di elettroni. Questi materiali non sono ancora pronti per la prima serata, ha detto Yu, principalmente a causa della loro mancanza di conoscenza. Ma i ricercatori hanno affermato che queste nuove scoperte dovrebbero fare molto per far luce sul potenziale di questi materiali.

La tecnica chiave impiegata in questo studio, denominata magnetometria in situ, è un metodo di monitoraggio magnetico in tempo reale per studiare l'evoluzione della struttura elettronica interna di un materiale. È in grado di quantificare la capacità di carica misurando le variazioni del magnetismo. Questa tecnica può essere utilizzata per studiare l'accumulo di carica su una scala molto ridotta che va oltre le capacità di molti strumenti di caratterizzazione convenzionali.

"I risultati più significativi sono stati ottenuti da una tecnica comunemente usata dai fisici ma molto raramente nella comunità delle batterie", ha detto Yu. â€Questa è una vetrina perfetta di un bellissimo connubio tra fisica ed elettrochimica.â€

Riferimento: "Capacità di stoccaggio extra nelle batterie agli ioni di litio all'ossido di metallo di transizione rivelata dalla magnetometria in situ" di Qiang Li, Hongsen Li, Qingtao Xia, Zhengqiang Hu, Yue Zhu, Shishen Yan, Chen Ge, Qinghua Zhang, Xiaoxiong Wang , Xiantao Shang, Shuting Fan, Yunze Long, Lin Gu, Guo-Xing Miao, Guihua Yu e Jagadeesh S. Moodera, 17 agosto 2020, Materiali naturali.
DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y