Gli elettrodi ad alte prestazioni per le batterie agli ioni di litio possono essere migliorati prestando maggiore attenzione ai loro difetti e sfruttandoli, secondo gli scienziati della Rice University.

Lo scienziato dei materiali di riso Ming Tang e i chimici Song Jin dell'Università del Wisconsin-Madison e Linsen Li del Wisconsin e del Massachusetts Institute of Technology hanno condotto uno studio che combinava lo stato dell'arte, spettroscopia a raggi X in situ e modellazione per ottenere informazioni sul trasporto del litio nei catodi delle batterie. Hanno scoperto che un materiale catodico comune per le batterie agli ioni di litio, olivina litio ferro fosfato, rilascia o assorbe ioni di litio attraverso una superficie molto più ampia di quanto si pensasse in precedenza.

"Sappiamo che questo materiale funziona molto bene, ma c'è ancora molto dibattito sul perché, " Tang ha detto. "In molti aspetti, questo materiale non dovrebbe essere così buono, ma in qualche modo supera le aspettative della gente."

Parte del motivo, Tang ha detto, deriva da difetti puntuali, atomi mal posizionati nel reticolo cristallino, noti come difetti antisito. Tali difetti sono impossibili da eliminare completamente nel processo di fabbricazione. Come risulta, Egli ha detto, fanno sì che i materiali degli elettrodi del mondo reale si comportino in modo molto diverso dai cristalli perfetti.

Quella e altre rivelazioni in a Comunicazioni sulla natura la carta potrebbe potenzialmente aiutare i produttori a sviluppare migliori batterie agli ioni di litio che alimentano i dispositivi elettronici in tutto il mondo.

Gli autori principali dello studio, Liang Hong di Rice e Li del Wisconsin e MIT, e i loro colleghi hanno collaborato con gli scienziati del Dipartimento dell'Energia del Brookhaven National Laboratory per utilizzare le sue potenti sorgenti di luce di sincrotrone e osservare in tempo reale cosa accade all'interno del materiale della batteria quando viene addebitato. Hanno anche impiegato simulazioni al computer per spiegare le loro osservazioni.

Una rivelazione, Tang ha detto, era che i difetti microscopici negli elettrodi sono una caratteristica, non un bug.

"La gente di solito pensa che i difetti siano una cosa negativa per i materiali delle batterie, che distruggono proprietà e prestazioni, " ha detto. "Con la crescente quantità di prove, ci siamo resi conto che avere una quantità adeguata di punti difettosi può effettivamente essere una buona cosa."

All'interno di un privo di difetti, reticolo cristallino perfetto di un catodo litio ferro fosfato, il litio può muoversi solo in una direzione, ha detto Tang. A causa di ciò, si ritiene che la reazione di intercalazione del litio possa avvenire solo su una frazione della superficie della particella.

Ma il team ha fatto una scoperta sorprendente durante l'analisi delle immagini spettroscopiche a raggi X di Li:la reazione superficiale avviene sul lato grande della sua imperfetta, microbarre sintetizzate, che contrasta le previsioni teoriche secondo cui i lati sarebbero inattivi perché paralleli al movimento percepito del litio.

I ricercatori hanno spiegato che i difetti delle particelle cambiano sostanzialmente le proprietà di trasporto del litio dell'elettrodo e consentono al litio di saltare all'interno del catodo lungo più di una direzione. Ciò aumenta la superficie reattiva e consente uno scambio più efficiente di ioni di litio tra il catodo e l'elettrolita.

Poiché il catodo in questo studio è stato realizzato con un tipico metodo di sintesi, Tang ha detto, la scoperta è molto rilevante per le applicazioni pratiche.

"Ciò che abbiamo appreso cambia il modo di pensare su come ottimizzare la forma delle particelle di litio ferro fosfato, " ha detto. "Supponendo che il movimento al litio unidimensionale, le persone tendono a credere che la forma delle particelle ideale dovrebbe essere una lastra sottile perché riduce la distanza che il litio deve percorrere in quella direzione e massimizza la superficie reattiva allo stesso tempo. Ma poiché ora sappiamo che il litio può muoversi in più direzioni, grazie ai difetti, i criteri di progettazione per massimizzare le prestazioni saranno certamente molto diversi."

La seconda osservazione sorprendente, Tang ha detto, ha a che fare con il movimento dei confini di fase nel catodo mentre viene caricato e scaricato.

"Quando togli il calore dall'acqua, si trasforma in ghiaccio, " disse. "E quando togli il litio da queste particelle, forma una diversa fase povera di litio, come il ghiaccio, che coesiste con la fase iniziale ricca di litio." Le fasi sono separate da un'interfaccia, o un confine di fase. La velocità con cui il litio può essere estratto dipende dalla velocità con cui il confine di fase si muove attraverso una particella, Egli ha detto.

A differenza dei materiali sfusi, Tang ha spiegato, è stato previsto che il movimento del confine di fase in piccole particelle di batteria può essere limitato dalla velocità di reazione superficiale. I ricercatori sono stati in grado di fornire la prima prova concreta di questo meccanismo controllato dalla reazione superficiale, ma con una svolta.

"Vediamo il confine di fase muoversi in due direzioni diverse attraverso due meccanismi diversi, sia controllato da reazione superficiale o diffusione di massa di litio, " ha detto. "Questo meccanismo ibrido dipinge un quadro più complicato su come avviene la trasformazione di fase nei materiali delle batterie. Poiché può avvenire in un ampio gruppo di materiali per elettrodi, questa scoperta è fondamentale per comprendere le prestazioni della batteria e sottolinea l'importanza di migliorare la velocità di reazione superficiale".