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Nuove osservazioni rivelano il funzionamento interno delle batterie agli ioni di litio

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia delle batterie, ioni di litio, scienza dei materiali, nanomateriali, batterie agli ioni di litio
Di DAVID L. CHANDLER, ISTITUTO DI TECNOLOGIA DEL MASSACHUSETTS 9 GIUGNO 2014



Il diagramma illustra il processo di carica o scarica dell'elettrodo di litio ferro fosfato (LFP). Quando gli ioni di litio vengono rimossi durante il processo di carica, forma una zona di fosfato di ferro (FP) impoverito di litio, ma nel mezzo c'è una zona di soluzione solida (SSZ, mostrata in blu-verde scuro) contenente alcuni atomi di litio distribuiti casualmente, a differenza di l'array ordinato di atomi di litio nel materiale cristallino originale (azzurro). Questo lavoro fornisce le prime osservazioni dirette di questo fenomeno SSZ.

I ricercatori del MIT mostrano il funzionamento interno di una batteria agli ioni di litio, rivelando come una soluzione solida casuale influenzi il movimento degli ioni attraverso il materiale della batteria.

Nuove osservazioni dei ricercatori del MIT hanno rivelato il funzionamento interno di un tipo di elettrodo ampiamente utilizzato nelle batterie agli ioni di litio. Le nuove scoperte spiegano la potenza inaspettatamente elevata e il lungo ciclo di vita di tali batterie, affermano i ricercatori.

I risultati appaiono in un articolo sulla rivista Nano Letters, co-autore del postdoc del MIT Jun Jie Niu, del ricercatore Akihiro Kushima, dei professori Yet-Ming Chiang e Ju Li e di altri tre.

Il materiale degli elettrodi studiato, litio ferro fosfato (LiFePO4), è considerato un materiale particolarmente promettente per le batterie ricaricabili a base di litio; è già stato dimostrato in applicazioni che vanno dagli utensili elettrici ai veicoli elettrici fino allo stoccaggio in rete su larga scala. I ricercatori del MIT hanno scoperto che all'interno di questo elettrodo, durante la carica, si forma una zona di soluzione solida (SSZ) al confine tra le aree ricche di litio e quelle povere di litio, la regione in cui si concentra l'attività di carica, quando gli ioni di litio vengono estratti dell'elettrodo.

Li dice che questo SSZ "è stato teoricamente previsto che esista, ma lo vediamo direttamente per la prima volta", nei video al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) ripresi durante la carica.

Le osservazioni aiutano a risolvere un enigma di lunga data su LiFePO4: sotto forma di cristalli sfusi, sia il fosfato di ferro di litio che il fosfato di ferro (FePO4, che viene lasciato quando gli ioni di litio migrano dal materiale durante la carica) hanno conduttività ioniche ed elettriche molto scarse. Tuttavia, se trattato con drogaggio e rivestimento in carbonio e utilizzato come nanoparticelle in una batteria, il materiale mostra una velocità di carica straordinariamente elevata. "È stato abbastanza sorprendente quando questa [rapida velocità di carica e scarica] è stata dimostrata per la prima volta", afferma Li.

"Abbiamo osservato direttamente una soluzione solida casuale metastabile che potrebbe risolvere questo problema fondamentale che ha incuriosito [gli scienziati dei materiali] per molti anni", afferma Li, professore di scienza e ingegneria nucleare della Battelle Energy Alliance e professore di scienza dei materiali. e ingegneria.

L'SSZ è uno stato “metastabile”, che persiste per almeno alcuni minuti a temperatura ambiente. Sostituendo un'interfaccia netta tra LiFePO4 e FePO4 che ha dimostrato di contenere molti difetti di linea aggiuntivi chiamati "dislocazioni", l'SSZ funge da buffer, riducendo il numero di dislocazioni che altrimenti si muoverebbero con il fronte di reazione elettrochimica. "Non vediamo alcuna dislocazione", dice Li. Questo potrebbe essere importante perché la generazione e l'immagazzinamento di dislocazioni può causare affaticamento e limitare la durata del ciclo di un elettrodo.

A differenza dell'imaging TEM convenzionale, la tecnica utilizzata in questo lavoro, sviluppata nel 2010 da Kushima e Li, consente di osservare i componenti della batteria mentre si caricano e si scaricano, il che può rivelare processi dinamici. "Negli ultimi quattro anni, c'è stata una grande esplosione nell'utilizzo di tali tecniche TEM in situ per studiare il funzionamento delle batterie", afferma Li.

Una migliore comprensione di questi processi dinamici potrebbe migliorare le prestazioni di un materiale per elettrodi consentendo una migliore regolazione delle sue proprietà, afferma Li.

Nonostante una comprensione incompleta fino ad oggi, le nanoparticelle di fosfato di ferro e litio sono già utilizzate su scala industriale per le batterie agli ioni di litio, spiega Li. "La scienza è in ritardo rispetto all'applicazione", afferma. â€E’ già ingrandito e ha un discreto successo sul mercato. È una delle storie di successo della nanotecnologia.â€

"Rispetto ai tradizionali ioni di litio, [il litio ferro fosfato] è ecologico e molto stabile", afferma Niu. â€Ma è importante che questo materiale sia ben compresoâ€

Mentre la scoperta dell'SSZ è stata fatta in LiFePO4, Li afferma: “Lo stesso principio può essere applicato ad altri materiali per elettrodi. Le persone sono alla ricerca di materiali per elettrodi ad alta potenza e tali stati metastabili potrebbero esistere in altri materiali per elettrodi che sono inerti in forma sfusa. †Il fenomeno scoperto potrebbe essere molto generale e non specifico di questo materiale.â€

Chongmin Wang, un ricercatore presso il Pacific Northwest National Laboratory che non è stato coinvolto in questa ricerca, definisce questo documento "un ottimo lavoro".

"Sono stati proposti diversi modelli basati su lavori sia teorici che sperimentali", afferma Wang. â€Tuttavia, nessuna di esse sembra essere conclusiva.â€

Questa nuova ricerca, dice, "fornisce prove convincenti e dirette" del meccanismo in atto: "Il lavoro è un importante passo avanti per spingere le ambiguità verso il favore di un modello di soluzione solido".

La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation.

Pubblicazione: Junjie Niu, et al., "Osservazione in situ della zona di soluzione solida casuale nell'elettrodo LiFePO4", Nano Letters, 2014; DOI: 10.1021/nl501415b
Immagine: Junjie Niu, et al., Nano Letters, 2014; DOI: 10.1021/nl501415b