Negli ultimi tre decenni, batterie agli ioni di litio, batterie ricaricabili che spostano avanti e indietro gli ioni di litio per caricarsi e scaricarsi, hanno abilitato dispositivi più piccoli che si caricano più velocemente e durano più a lungo.

Ora, Esperimenti a raggi X presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e il Lawrence Berkeley National Laboratory hanno rivelato che i percorsi degli ioni di litio attraverso un materiale comune della batteria sono più complessi di quanto si pensasse in precedenza. I risultati correggono più di due decenni di ipotesi sul materiale e contribuiranno a migliorare il design della batteria, potenzialmente portando a una nuova generazione di batterie agli ioni di litio.

Un team internazionale di ricercatori, guidato da William Chueh, uno scienziato della facoltà presso lo Stanford Institute for Materials &Energy Sciences dello SLAC e un professore di scienze dei materiali di Stanford, ha pubblicato questi risultati oggi in Materiali della natura .

"Prima, era una specie di scatola nera, " disse Martin Bazant, un professore al Massachusetts Institute of Technology e un altro leader dello studio. "Potevi vedere che il materiale funzionava abbastanza bene e alcuni additivi sembravano aiutare, ma non potresti dire esattamente dove vanno gli ioni di litio in ogni fase del processo. Potresti solo provare a sviluppare una teoria e lavorare a ritroso dalle misurazioni. Con nuovi strumenti e tecniche di misurazione, stiamo iniziando ad avere una comprensione scientifica più rigorosa di come funzionano effettivamente queste cose".

L'"effetto popcorn"

Chiunque abbia viaggiato su un autobus elettrico, ha lavorato con un utensile elettrico o ha utilizzato un aspirapolvere senza fili ha probabilmente raccolto i benefici del materiale della batteria che hanno studiato, litio ferro fosfato. Può essere utilizzato anche per la funzione start-stop in auto con motori a combustione interna e per l'accumulo di energia eolica e solare nelle reti elettriche. Una migliore comprensione di questo materiale e di altri simili potrebbe portare a una ricarica più rapida, batterie più durature e più durevoli. Ma fino a poco tempo fa i ricercatori hanno potuto solo indovinare i meccanismi che gli permettono di funzionare.

Quando le batterie agli ioni di litio si caricano e si scaricano, gli ioni di litio fluiscono da una soluzione liquida in un serbatoio solido. Ma una volta nel solido, il litio può riorganizzarsi, a volte provocando la scissione del materiale in due fasi distinte, tanto quanto l'olio e l'acqua si separano quando vengono mescolati insieme. Ciò causa ciò che Chueh definisce un "effetto popcorn". Gli ioni si raggruppano in punti caldi che finiscono per ridurre la durata della batteria.

In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato due tecniche a raggi X per esplorare il funzionamento interno delle batterie agli ioni di litio. Alla Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC hanno fatto rimbalzare i raggi X su un campione di fosfato di ferro e litio per rivelare la sua struttura atomica ed elettronica, dando loro un'idea di come si muovevano gli ioni di litio nel materiale. Presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, hanno usato la microscopia a raggi X per ingrandire il processo, consentendo loro di mappare come la concentrazione di litio cambia nel tempo.

nuoto controcorrente

In precedenza, i ricercatori pensavano che il fosfato di ferro di litio fosse un conduttore unidimensionale, il che significa che gli ioni di litio sono in grado di viaggiare solo in una direzione attraverso la maggior parte del materiale, come il salmone che nuota controcorrente.

Ma mentre setacciamo i loro dati, i ricercatori hanno notato che il litio si stava muovendo in una direzione completamente diversa sulla superficie del materiale rispetto a quanto ci si aspetterebbe in base ai modelli precedenti. Era come se qualcuno avesse lanciato una foglia sulla superficie del ruscello e avesse scoperto che l'acqua scorreva in una direzione completamente diversa da quella del salmone che nuota.

Hanno lavorato con Saiful Islam, un professore di chimica all'Università di Bath, UK, sviluppare modelli informatici e simulazioni del sistema. Quelli hanno rivelato che gli ioni di litio si sono mossi in due direzioni aggiuntive sulla superficie del materiale, rendendo il litio ferro fosfato un conduttore tridimensionale.

"Come risulta, questi percorsi extra sono problematici per il materiale, promuovere il comportamento simile al popcorn che porta al suo fallimento, " disse Chueh. "Se si può fare in modo che il litio si muova più lentamente sulla superficie, renderà la batteria molto più uniforme. Questa è la chiave per sviluppare batterie con prestazioni più elevate e più durature."

Una nuova frontiera nell'ingegneria delle batterie

Anche se il litio ferro fosfato è in circolazione da due decenni, la possibilità di studiarlo su scala nanometrica e durante il funzionamento a batteria non era possibile fino a un paio di anni fa.

"Questo spiega come una proprietà così cruciale del materiale sia passata inosservata per così tanto tempo, " disse Yiyang Li, che ha guidato il lavoro sperimentale come studente laureato e borsista post-dottorato a Stanford e SLAC. "Con le nuove tecnologie, ci sono sempre nuove e interessanti proprietà da scoprire sui materiali che ti fanno pensare a loro in modo un po' diverso."

Questo lavoro è uno dei primi articoli nati da una collaborazione tra Bazant, Chueh e molti altri scienziati come parte di un centro di ricerca finanziato dal Toyota Research Institute che utilizza la teoria e l'apprendimento automatico per progettare e interpretare esperimenti avanzati.

Queste ultime scoperte, Bazant ha detto, creare una storia più complessa che teorici e ingegneri dovranno prendere in considerazione nel lavoro futuro.

"Costruisce ulteriormente l'argomento che l'ingegneria delle superfici delle batterie agli ioni di litio è davvero la nuova frontiera, " ha detto. "Abbiamo già scoperto e sviluppato alcuni dei migliori materiali sfusi. E abbiamo visto che le batterie agli ioni di litio stanno ancora progredendo a un ritmo piuttosto notevole:continuano a migliorare sempre di più. Questa ricerca sta consentendo il costante avanzamento di una tecnologia collaudata che funziona davvero. Stiamo costruendo su un'importante conoscenza che può essere aggiunta al toolkit degli ingegneri delle batterie mentre cercano di sviluppare materiali migliori".

Spanning scale diverse

Per dare seguito a questo studio, i ricercatori continueranno a combinare modellistica, simulazione ed esperimenti per cercare di comprendere le domande fondamentali sulle prestazioni della batteria in diverse lunghezze e scale temporali con strutture come Linac Coherent Light Source di SLAC, o LCLS, dove i ricercatori saranno in grado di sondare singoli luppoli ionici che si verificano in tempi rapidi come un trilionesimo di secondo.

"Uno degli ostacoli allo sviluppo delle tecnologie delle batterie agli ioni di litio è l'enorme lasso di tempo e di tempi coinvolti, " Chueh ha detto. "I processi chiave possono avvenire in una frazione di secondo o nel corso di molti anni. Il percorso in avanti richiede la mappatura di questi processi a lunghezze che vanno dai metri fino al movimento degli atomi. A SLAC, stiamo studiando i materiali delle batterie a tutte queste scale. La combinazione di questo con la modellazione e l'esperimento è davvero ciò che ha reso possibile questa comprensione".