I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Chicago e del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno sviluppato una nuova tecnica che consente loro di individuare la posizione delle reazioni chimiche che si verificano all'interno delle batterie agli ioni di litio in tre dimensioni su scala nanometrica. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Conoscere le posizioni precise delle reazioni chimiche all'interno delle singole nanoparticelle che partecipano a tali reazioni ci aiuta a identificare come funziona una batteria e a scoprire come la batteria potrebbe essere ottimizzata per farla funzionare ancora meglio, " ha detto Jordi Cabana, professore associato di chimica presso l'UIC e co-autore corrispondente dell'articolo.

Quando una batteria si carica e si scarica, i suoi elettrodi, i materiali dove avvengono le reazioni che producono energia, vengono alternativamente ossidati e ridotti. I percorsi chimici attraverso i quali avvengono queste reazioni aiutano a determinare la velocità con cui una batteria si esaurisce.

Gli strumenti disponibili per studiare queste reazioni possono fornire solo informazioni sulla composizione media degli elettrodi in un dato momento. Per esempio, possono far sapere a un ricercatore quale percentuale dell'elettrodo si è ossidata in modo permanente. Ma questi strumenti non possono fornire informazioni sulla posizione delle porzioni ossidate nell'elettrodo. A causa di queste limitazioni, non è possibile dire se le reazioni sono limitate ad una certa area dell'elettrodo, come la superficie del materiale, o se le reazioni si verificano uniformemente in tutto l'elettrodo.

"Essere in grado di dire se c'è una tendenza per una reazione a verificarsi in una parte specifica dell'elettrodo, e meglio ancora, la posizione delle reazioni all'interno delle singole nanoparticelle nell'elettrodo, sarebbe estremamente utile perché poi potresti capire come quelle reazioni localizzate si correlino con il comportamento della batteria, come il tempo di ricarica o il numero di cicli di ricarica che può effettuare in modo efficiente, " ha detto Capanna.

La nuova tecnica, chiamata tomografia tticografica a raggi X, è nato da una partnership tra i chimici dell'UIC e gli scienziati dell'Advanced Light Source, al Lawrence Berkeley National Laboratory in California. Gli scienziati di Advanced Light Source hanno sviluppato la strumentazione e gli algoritmi di misurazione, che sono stati utilizzati per aiutare a rispondere a domande fondamentali sui materiali e sul comportamento delle batterie identificati dal team UIC.

Insieme, i due team hanno utilizzato la tecnica tomografica per esaminare decine di nanoparticelle di fosfato di ferro e litio recuperate da un elettrodo di batteria che era stato parzialmente caricato. I ricercatori hanno utilizzato un coerente, fascio di raggi X su nanoscala generato dall'acceleratore di sincrotrone ad alto flusso presso l'Advanced Light Source per interrogare ogni nanoparticella. Il modello di assorbimento del raggio da parte del materiale ha fornito ai ricercatori informazioni sullo stato di ossidazione del ferro nelle nanoparticelle nel raggio di raggi X. Poiché sono stati in grado di spostare il raggio di pochi nanometri ed eseguire di nuovo l'interrogatorio, il team potrebbe ricostruire mappe chimiche delle nanoparticelle con una risoluzione di circa 11 nanometri. Ruotando il materiale nello spazio, potrebbero creare una ricostruzione tomografica tridimensionale degli stati di ossidazione di ciascuna nanoparticella. In altre parole, potevano dire fino a che punto aveva reagito una singola nanoparticella di litio ferro fosfato.

"Utilizzando la nostra nuova tecnica, non solo abbiamo potuto vedere che le singole nanoparticelle hanno mostrato diverse estensioni di reazione in un dato momento, ma anche come la reazione si è fatta strada attraverso l'interno di ogni nanoparticella, " ha detto Capanna.