Una tecnica sperimentale sviluppata dai ricercatori di A*STAR è stata utilizzata per tracciare i cambiamenti chimici e strutturali in un elettrodo quando una batteria si scarica. La tecnica basata sui raggi X dovrebbe aiutare a migliorare le prestazioni dei materiali nelle batterie di prossima generazione.

Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate nella nostra vita quotidiana, ad esempio nei dispositivi mobili e nei veicoli elettrici. Immagazzinano e rilasciano energia spostando gli ioni di litio tra due elettrodi (vedi immagine). Ma la quantità di energia che questi elettrodi possono immagazzinare, e la velocità con cui le batterie si caricano o scaricano, è ancora relativamente limitato. Inoltre, l'uso ripetuto può causare l'espansione e la contrazione degli elettrodi, degradando le loro prestazioni nel tempo.

Gli elettrodi contenenti nanotubi di biossido di titanio organizzati in una forma nota come fase di bronzo potrebbero aiutare a superare queste restrizioni perché il materiale ha un'elevata capacità di carica teorica e il suo volume cambia poco durante il funzionamento. Però, il suo meccanismo di ricarica non è completamente compreso, a causa delle limitazioni degli strumenti analitici che possono sondare direttamente il processo di carica superficiale.

Yonghua Du dell'A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences, e il gruppo di Xiaodong Chen della Nanyang Technological University hanno ora affrontato questo problema utilizzando la sorgente di luce di sincrotrone di Singapore per eseguire misurazioni di spettroscopia di assorbimento di raggi X sugli elettrodi di biossido di titanio durante il funzionamento.

Hanno scoperto che la carica media degli atomi di titanio del materiale, noto come il loro stato di valenza, è sceso costantemente da circa quattro a tre mentre il materiale accumulava ioni di litio durante la scarica. Gli esperimenti hanno anche rivelato come la struttura cristallina del materiale si è espansa man mano che gli ioni di litio si accumulavano nell'elettrodo. Poiché gli atomi di titanio in uno stato di bassa valenza sono leggermente più grandi di quelli in uno stato di valenza superiore, questo ha ulteriormente distorto la struttura cristallina. "Si verifica una transizione di fase durante la carica e la scarica, " spiega Du.

Diversi meccanismi per l'immagazzinamento della carica possono verificarsi sulla superficie dell'elettrodo, che gli esperimenti hanno quantificato per la prima volta. Hanno dimostrato che la maggior parte della capacità di stoccaggio della batteria dipende dal cambiamento dello stato di valenza del titanio. Ulteriori test hanno dimostrato che i nanotubi cavi di biossido di titanio potrebbero immagazzinare più carica rispetto ai nanofili dello stesso materiale.

All'aumentare della velocità di scarico, una maggiore proporzione di ioni di litio è stata immagazzinata sulla superficie dell'elettrodo, piuttosto che nel profondo della sua struttura. Ciò ha ridotto il cambiamento nello stato di valenza medio del titanio, che alla fine ha abbassato la capacità energetica dell'elettrodo.

Questa analisi del funzionamento delle batterie agli ioni di litio aiuterà a guidare i ricercatori nella progettazione di nanostrutture di elettrodi per migliorare lo stoccaggio e la mobilità degli ioni di litio. Du osserva che la loro tecnica di spettroscopia di assorbimento a raggi X potrebbe essere applicata anche ad altri materiali per elettrodi.