Credito:Zhu et al.
Ossido di metallo di transizione ricco di litio (Li 1+X m 1-X oh 2 ) i catodi possono essere utilizzati nelle batterie agli ioni di litio, alimentare dispositivi elettronici e veicoli elettrici. Questi catodi hanno un'alta densità di energia, tipicamente sopra 900 Wh kg -1 , tuttavia attualmente presentano anche limitazioni significative.
Il problema più cruciale osservato nella maggior parte dei catodi ricchi di litio è che rilasciano ossigeno agli elettroliti, e quindi, la loro tensione decade durante l'uso. Questa significativa limitazione ha impedito per anni il loro uso diffuso.
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno recentemente ideato una strategia che potrebbe aiutare a superare questo problema, immunizzando le particelle di catodo di ossido ricco di litio contro il rilascio di ossigeno. Questa nuova strategia, delineato in un articolo pubblicato su Energia della natura , comporta un trattamento con sale fuso che elimina il rilascio di ossigeno dai singoli cristalli ricchi di litio agli elettroliti rendendo la regione superficiale povera di litio, pur consentendo contributi redox stabili di ossigeno all'interno delle particelle.
"Il nostro obiettivo principale era quello di utilizzare la capacità dell'ossigeno per le reazioni redox senza produrre gli ioni di ossigeno ridotti (cioè, "peroxo" e "superoxo"-like) globalmente mobile, il che significa che possono fuoriuscire dalla superficie delle particelle del catodo e reagire con l'elettrolita all'interno di una batteria, "Giu Li, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore.
Gli ioni di ossigeno ridotti all'interno dei catodi ricchi di litio assomigliano in qualche modo ai complessi metallo-perosso e metallo-superosso; composti attraverso i quali il sangue trasporta l'ossigeno negli animali. Il perosso (O - ) e superosso (O 0,5- ) specie, pur contribuendo capacità, hanno una mobilità molto più elevata rispetto allo standard O 2- . In Li 1+X m 1-X oh 2 catodi. Questi ioni di ossigeno possono muoversi liberamente e alla fine fuggire dalle particelle del catodo, reagendo con e contaminando l'elettrolita liquido.
Per evitare che ciò accada, Li e i suoi colleghi hanno implementato un trattamento che prevede l'estrazione di ossido di litio (LiO) utilizzando sale di molibdato fuso ad alte temperature. Hanno scoperto che questo trattamento consente alla superficie di ottenere la composizione Li 1-X' m 1+X' oh 2 senza interrompere la continuità reticolare o creare eccessi di difetti (epitassiali), rimuovendo così il perosso (O - ) e superosso (O 0,5- ) specie vicino alla superficie, impedendo ai singoli cristalli ricchi di litio di rilasciare ossigeno agli elettroliti.
"Abbiamo eseguito un trattamento di immunizzazione, quindi una regione superficiale di circa ~10 nm di spessore è impoverita di ossigeno, e quindi sarebbe extra stabile nel ciclo della batteria, Li ha detto. "Il trattamento di immunizzazione è stato eseguito ad una temperatura elevata di 700°C, così mentre estraiamo ossigeno e litio, il reticolo si ripara da solo mediante ricottura termica e passa senza problemi da ricco di litio a povero di litio, senza ulteriori difetti e senza perdere la perfetta coerenza reticolare della particella monocristallina."
La strategia di immunizzazione ideata da Li e dai suoi colleghi non influenza gli stati di valenza del metallo e la struttura dei cristalli ricchi di Li all'interno del catodo, mantenendo così un anione ossigeno-redox stabile (O 2- O - ) contributo alla capacità mentre una batteria è in funzione. Nei test che valutano la loro strategia, i ricercatori hanno scoperto che ha prodotto un catodo a gradiente ibrido di anioni e cationi redox (HACR) con una densità specifica o 843 Wh kg -1 dopo 200 cicli a 0,2C e 808 Wh kg -1 dopo 100 cicli a 1C, con un rilascio minimo di ossigeno e quindi un minor consumo di elettrolita nella batteria.
"Il nostro studio dimostra che è possibile eseguire il ciclo di una cella piena della batteria con una quantità minima di elettrolita (livello industriale di 2 g (elettrolita)/Ah), indicando che abbiamo interrotto la perdita di ossigeno utilizzando la capacità redox dell'ossigeno, Li ha detto. "Questo cosiddetto concetto di batteria a 'ossigeno solido' ha il potenziale per raddoppiare la densità di energia dei catodi".
Riducendo il rilascio di ossigeno tipicamente osservato nei catodi ricchi di litio, la strategia ideata da Li e dai suoi colleghi potrebbe eventualmente facilitare la commercializzazione e l'uso diffuso di batterie a base di litio alimentate da questi catodi. interessante, il trattamento di immunizzazione delineato nel loro studio potrebbe essere applicato anche ad altri elementi, contribuendo a sopprimere o prevenire reazioni superficiali impreviste nelle batterie. Nei loro studi successivi, i ricercatori hanno in programma di aumentare la sintesi nella batteria a base di catodo ricco di litio e migliorare ulteriormente la densità compressa dei catodi HACR.
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