Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate nell'elettronica domestica e ora vengono utilizzate per alimentare veicoli elettrici e immagazzinare energia per la rete elettrica. Ma il loro numero limitato di cicli di ricarica e la tendenza a degradare la capacità nel corso della loro vita hanno stimolato una grande quantità di ricerche per migliorare la tecnologia.

Un team internazionale guidato da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha utilizzato tecniche avanzate di microscopia elettronica per mostrare come il rapporto tra i materiali che compongono un elettrodo della batteria agli ioni di litio influenzi la sua struttura a livello atomico, e come la superficie sia molto diversa dal resto del materiale. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Scienze energetiche e ambientali .

Sapere come cambia la struttura interna e superficiale di un materiale della batteria in un'ampia gamma di composizioni chimiche aiuterà gli studi futuri sulle trasformazioni del catodo e potrebbe anche portare allo sviluppo di nuovi materiali della batteria.

"Questa scoperta potrebbe cambiare il modo in cui osserviamo le trasformazioni di fase all'interno del catodo e la conseguente perdita di capacità in questa classe di materiale, " disse Alpesh Khushalchand Shukla, uno scienziato della fonderia molecolare del Berkeley Lab, e autore principale dello studio. "Il nostro lavoro dimostra che è estremamente importante caratterizzare completamente un nuovo materiale nel suo stato originario, così come dopo il ciclismo, per evitare fraintendimenti".

Precedenti lavori dei ricercatori della Molecular Foundry, un centro di ricerca specializzato in scienze su nanoscala, ha rivelato la struttura dei materiali catodici contenenti litio "in eccesso", risolvere un dibattito di lunga data.

Utilizzando una suite di microscopi elettronici sia presso il National Center for Electron Microscopy (NCEM), un impianto di fonderia molecolare, e al SuperSTEM, il Centro di ricerca nazionale per la microscopia elettronica avanzata a Daresbury, UK., il team di ricerca ha scoperto che mentre gli atomi all'interno del materiale del catodo rimanevano nello stesso modello strutturale in tutte le composizioni, la diminuzione della quantità di litio ha provocato un aumento della casualità nella posizione di alcuni atomi all'interno della struttura.

Confrontando le diverse composizioni del materiale del catodo con le prestazioni della batteria, i ricercatori hanno anche dimostrato che è possibile ottimizzare le prestazioni della batteria in relazione alla capacità utilizzando un rapporto inferiore tra litio e altri metalli.

La scoperta più sorprendente è stata che la struttura superficiale di un catodo inutilizzato è molto diversa dall'interno del catodo. Un sottile strato di materiale sulla superficie che possiede una struttura diversa, detta fase di "spinello", è stato trovato in tutti i loro esperimenti. Diversi studi precedenti avevano trascurato che questo strato potrebbe essere presente sia su catodi nuovi che usati.

Variando sistematicamente il rapporto tra litio e metallo di transizione, come provare diverse quantità di ingredienti in una nuova ricetta di biscotti, il team di ricerca è stato in grado di studiare la relazione tra la superficie e la struttura interna e di misurare le prestazioni elettrochimiche del materiale. Il team ha scattato immagini di ogni lotto dei materiali catodici da più angolazioni e ha creato completi, Rendering 3D di ogni struttura.

"Ottenendo così preciso, le informazioni a livello atomico su scale di lunghezza rilevanti per le tecnologie delle batterie sono state una sfida, " disse Quentin Ramasse, Direttore del Laboratorio SuperSTEM. "Questo è un perfetto esempio del perché le molteplici tecniche di imaging e spettroscopia disponibili nella microscopia elettronica lo rendono uno strumento così indispensabile e versatile nella ricerca sulle energie rinnovabili".

I ricercatori hanno anche utilizzato una tecnica di nuova concezione chiamata microscopia elettronica a trasmissione a scansione 4-D (STEM 4-D). Nella microscopia elettronica a trasmissione (TEM), le immagini si formano dopo che gli elettroni passano attraverso un campione sottile. Nella convenzionale microscopia a scansione con elettrodi di trasmissione (STEM), il fascio di elettroni è focalizzato su un punto molto piccolo (fino a 0,5 nanometri, o miliardesimi di metro, di diametro) e poi quel punto viene scansionato avanti e indietro sul campione come un tosaerba su un prato.

Il rivelatore in STEM convenzionale conta semplicemente quanti elettroni sono dispersi (o non dispersi) in ciascun pixel. Però, in 4D-STEM, i ricercatori utilizzano un rilevatore di elettroni ad alta velocità per registrare dove ogni elettrone si disperde, da ogni punto scansionato. Consente ai ricercatori di misurare la struttura locale del loro campione ad alta risoluzione su un ampio campo visivo.

"L'introduzione di telecamere elettroniche ad alta velocità ci consente di estrarre informazioni su scala atomica da campioni di dimensioni molto grandi, " ha detto Colin Ophus, un ricercatore presso NCEM. "Gli esperimenti 4D-STEM significano che non abbiamo più bisogno di fare un compromesso tra le caratteristiche più piccole che possiamo risolvere e il campo visivo che stiamo osservando:possiamo analizzare la struttura atomica dell'intera particella contemporaneamente".