Se aggiungi più litio all'elettrodo positivo di una batteria agli ioni di litio, sovraccaricalo, in un certo senso - può immagazzinare molta più carica nella stessa quantità di spazio, teoricamente alimentando un'auto elettrica dal 30 al 50 percento in più tra una carica e l'altra. Ma questi catodi ricchi di litio perdono rapidamente tensione, e anni di ricerca non sono stati in grado di stabilire il perché - fino ad ora.

Dopo aver esaminato il problema da molte angolazioni, ricercatori della Stanford University, due laboratori nazionali del Dipartimento dell'Energia e il produttore di batterie Samsung hanno creato un quadro completo di come gli stessi processi chimici che conferiscono a questi catodi la loro elevata capacità siano anche collegati a cambiamenti nella struttura atomica che indeboliscono le prestazioni.

"Questa è una buona notizia, " ha detto William E. Gent, uno studente laureato della Stanford University e Siebel Scholar che ha guidato lo studio. "Ci offre un nuovo percorso promettente per ottimizzare le prestazioni di tensione dei catodi ricchi di litio controllando il modo in cui la loro struttura atomica si evolve man mano che la batteria si carica e si scarica".

Michael Toney, un distinto scienziato del personale presso lo SLAC National Accelerator Laboratory e coautore dell'articolo, aggiunto, "È un grande affare se riesci a far funzionare questi elettrodi ricchi di litio perché sarebbero uno degli elementi abilitanti per le auto elettriche con un'autonomia molto più lunga. C'è un enorme interesse nella comunità automobilistica nello sviluppo di modi per implementarli, e capire quali sono le barriere tecnologiche può aiutarci a risolvere i problemi che le trattengono".

Il rapporto della squadra appare oggi in Comunicazioni sulla natura .

I ricercatori hanno studiato i catodi con una varietà di tecniche a raggi X presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) dello SLAC e la Advanced Light Source (ALS) del Lawrence Berkeley National Laboratory. Teorici della fonderia molecolare del Berkeley Lab, guidato da David Prendergast, sono stati coinvolti anche aiutare gli sperimentatori a capire cosa cercare e spiegare i loro risultati.

I catodi stessi sono stati realizzati da Samsung Advanced Institute of Technology utilizzando processi commercialmente rilevanti, e assemblati in batterie simili a quelle dei veicoli elettrici.

"Ciò ha assicurato che i nostri risultati rappresentassero una comprensione di un materiale all'avanguardia che sarebbe stato direttamente rilevante per i nostri partner del settore, " ha detto Gent. Come borsista di dottorato in SLA in residenza, è stato coinvolto sia negli esperimenti che nella modellazione teorica per lo studio.

Come un secchio mezzo vuoto

Le batterie convertono l'energia elettrica in energia chimica per l'immagazzinamento. Hanno tre parti fondamentali:due elettrodi, il catodo e l'anodo, e l'elettrolita liquido tra di loro. Quando una batteria agli ioni di litio si carica e si scarica, gli ioni di litio si spostano avanti e indietro tra i due elettrodi, dove si inseriscono nei materiali degli elettrodi.

Più ioni un elettrodo può assorbire e rilasciare in relazione alle sue dimensioni e al suo peso - un fattore noto come capacità - più energia può immagazzinare e più piccola e leggera può essere una batteria, consentendo alle batterie di ridursi e alle auto elettriche di percorrere più miglia tra una ricarica e l'altra.

"Il catodo delle odierne batterie agli ioni di litio funziona solo a circa la metà della sua capacità teorica, il che significa che dovrebbe essere in grado di durare il doppio per carica, " ha detto il professor William Chueh di Stanford, un ricercatore con lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso SLAC.

"Ma non puoi caricarlo completamente. È come un secchio che riempi d'acqua, ma poi puoi versare solo metà dell'acqua. Questa è una delle grandi sfide nel campo in questo momento:come si fa a far sì che questi materiali catodici si comportino fino alla loro capacità teorica? Ecco perché le persone sono state così entusiaste della prospettiva di immagazzinare molta più energia nei catodi ricchi di litio".

Come i catodi di oggi, I catodi ricchi di litio sono costituiti da strati di litio inseriti tra strati di ossidi di metalli di transizione - elementi come nichel, manganese o cobalto combinato con l'ossigeno. L'aggiunta di litio allo strato di ossido aumenta la capacità del catodo dal 30 al 50 percento.

Unire i punti

Ricerche precedenti avevano dimostrato che diverse cose accadono contemporaneamente quando i catodi ricchi di litio si caricano, Chueh ha detto:Gli ioni di litio si spostano dal catodo all'anodo. Alcuni atomi di metalli di transizione entrano per prendere il loro posto. Nel frattempo, gli atomi di ossigeno rilasciano alcuni dei loro elettroni, stabilire la corrente elettrica e la tensione per la ricarica, secondo Chueh. Quando gli ioni di litio e gli elettroni ritornano al catodo durante la scarica, la maggior parte degli intrusi dei metalli di transizione tornano ai loro punti originali, ma non tutti e non subito. Ad ogni ciclo, questo avanti e indietro cambia la struttura atomica del catodo. È come se il secchio si trasformasse in un secchio più piccolo e leggermente diverso, Chueh ha aggiunto.

"Sapevamo che tutti questi fenomeni erano probabilmente correlati, ma non come, " Chueh ha detto. "Ora questa serie di esperimenti a SSRL e ALS mostra il meccanismo che li collega e come controllarlo. Questa è una scoperta tecnologica significativa che le persone non hanno compreso in modo olistico".

Alla SSLAC di SLAC, Toney e i suoi colleghi hanno utilizzato una varietà di metodi a raggi X per effettuare un'attenta determinazione di come la struttura atomica e chimica del catodo cambiasse quando la batteria si caricava e si scaricava.

Un altro strumento importante è stato il RIXS a raggi X molli, o diffusione anelastica risonante di raggi X, che raccoglie informazioni su scala atomica sulle proprietà magnetiche ed elettroniche di un materiale. Un sistema RIXS avanzato che ha iniziato a funzionare presso l'ALS lo scorso anno scansiona i campioni molto più velocemente di prima.

"RIXS è stato utilizzato principalmente per la fisica fondamentale, Lo scienziato della SLA Wanli Yang ha detto. "Ma con questo nuovo sistema di SLA, volevamo davvero aprire RIXS per studi pratici sui materiali, compresi i materiali legati all'energia. Ora che il suo potenziale per questi studi è stato parzialmente dimostrato, potremmo facilmente estendere RIXS ad altri materiali per batterie e rivelare informazioni che prima non erano accessibili."

Il team sta già lavorando per utilizzare le conoscenze fondamentali che hanno acquisito per progettare materiali per batterie che possano raggiungere la loro capacità teorica e non perdere tensione nel tempo.