Le batterie agli ioni di litio che alimentano i veicoli elettrici e i telefoni si caricano e scaricano traghettando gli ioni di litio avanti e indietro tra due elettrodi, un anodo e un catodo. Più ioni di litio sono in grado di assorbire e rilasciare gli elettrodi, più energia può immagazzinare la batteria.

Un problema che affligge i materiali delle batterie commerciali di oggi è che sono in grado di rilasciare solo circa la metà degli ioni di litio che contengono. Una soluzione promettente è riempire i catodi con ioni di litio extra, consentendo loro di immagazzinare più energia nella stessa quantità di spazio. Ma per qualche ragione, ogni nuovo ciclo di carica e scarica spoglia lentamente questi catodi ricchi di litio della loro tensione e capacità.

Un nuovo studio fornisce un modello completo di questo processo, identificare cosa lo provoca e come alla fine porta alla caduta della batteria. Guidato da ricercatori dell'Università di Stanford e del National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia SLAC e del Lawrence Berkeley National Laboratory, è stato pubblicato oggi in Materiali della natura .

"Questa ricerca ha affrontato molte idee sbagliate nel campo, " dice il capo dello studio William Gent, uno studioso Siebel della Stanford University e vincitore di una borsa di studio per il dottorato in Advanced Light Source e Molecular Foundry presso il Berkeley Lab. "C'è una lunga strada da percorrere, ma ora abbiamo una comprensione fondamentale delle proprietà che portano a questo processo che ci aiuterà a sfruttare il suo potere piuttosto che limitarci a pugnalarlo nel buio".

Assorbirlo

Il ciclo del litio attraverso una batteria è come un relè di spugna, un punto fermo dei picnic e dei barbecue del 4 luglio che sfida i partecipanti a trasferire l'acqua da un secchio all'altro usando solo una spugna. Più assorbente è la spugna, più acqua può essere spremuta nel secondo secchio.

I catodi delle batterie ad alto contenuto di litio sono come spugne super assorbenti, in grado di assorbire quasi il doppio degli ioni di litio rispetto ai catodi commerciali, impacchettando fino al doppio dell'energia nella stessa quantità di spazio. Ciò potrebbe consentire batterie per telefoni più piccole e veicoli elettrici che viaggiano più lontano tra una ricarica e l'altra.

La maggior parte dei catodi delle batterie agli ioni di litio contiene strati alternati di litio e ossidi di metalli di transizione, elementi come nichel o cobalto combinati con l'ossigeno. Nelle batterie commerciali, ogni volta che un atomo di litio lascia il catodo per l'anodo, un elettrone viene strappato da un atomo di metallo di transizione. Questi elettroni creano la corrente elettrica e la tensione necessarie per caricare il materiale.

Ma qualcosa di diverso accade nelle batterie ricche di litio.

"Una caratteristica insolita dei catodi ricchi di litio è che l'elettrone proviene dall'ossigeno piuttosto che dal metallo di transizione, "dice Michael Toney, un distinto scienziato del personale dello SLAC e coautore dell'articolo. "Questo processo, chiamata ossidazione dell'ossigeno, consente ai catodi di estrarre circa il 90% del litio a una tensione sufficientemente alta da aumentare l'energia immagazzinata nella batteria".

Cadere a pezzi

Ma immagina nella staffetta della spugna che ad ogni successivo ammollo, la struttura della spugna cambia:le fibre si irrigidiscono e si impacchettano, divorando lo spazio vuoto che rende il materiale così efficiente nell'assorbire l'acqua. L'ossidazione dell'ossigeno fa qualcosa di simile. Il precedente studio degli autori, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , ha mostrato che ogni volta che gli ioni di litio passano dal catodo all'anodo, alcuni atomi di metallo di transizione si insinuano per prendere il loro posto e la struttura atomica del catodo diventa un po' più disordinata. La struttura a strati essenziale per le prestazioni del catodo si sfalda lentamente, minando la sua tensione e capacità.

In questo nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che questo è dovuto al fatto che strappare l'elettrone dall'ossigeno gli fa desiderare di formare un altro legame e gli atomi del metallo di transizione devono muoversi per accogliere quel legame, modificando la struttura atomica.

"Questo è il primo documento che fornisce un modello completo del motivo per cui queste cose sono correlate e da dove provengono molte delle proprietà insolite del catodo ricco di litio, "dice Jihyun Hong, un postdoc di Stanford e SLAC, ora al Korea Institute of Science and Technology (KIST).

Sfruttare l'effetto

Toney dice che ci sono voluti la combinazione di teoria e molti metodi sperimentali, fatto presso la Stanford Synchrotron Light Source (SSRL) di SLAC, nonché Advanced Light Source (ALS) e Molecular Foundry di Berkeley Lab, per districare questo complicato problema.

Questa combinazione ha permesso al team di dimostrare in modo definitivo la forte forza trainante dietro i cambiamenti nella configurazione del legame del catodo durante l'ossidazione dell'ossigeno. Il prossimo passo, Toney dice, è trovare modi per produrre quei cambiamenti senza distruggere completamente la struttura cristallina del catodo.

"Poiché l'ossidazione dell'ossigeno dà luogo a una maggiore densità di energia, essere in grado di comprenderlo e controllarlo è potenzialmente un punto di svolta nei veicoli elettrici, "dice William Chueh, Assistant Professor di Scienze dei Materiali a Stanford, che ha co-diretto lo studio. "Finora, i progressi in questo spazio sono stati in gran parte incrementali, con miglioramenti solo di pochi punti percentuali all'anno. Se riusciamo a trovare un modo per farlo funzionare, sarebbe un enorme passo avanti nel rendere pratica questa tecnologia."