Mentre i serbatoi di gas possono essere riempiti in pochi minuti, la ricarica della batteria di un'auto elettrica richiede molto più tempo. Per livellare il campo di gioco e rendere i veicoli elettrici più attraenti, gli scienziati stanno lavorando su tecnologie di ricarica rapida.

La ricarica rapida è molto importante per i veicoli elettrici, ", ha affermato lo scienziato della batteria Daniel Abraham dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). "Vorremmo essere in grado di caricare la batteria di un veicolo elettrico in meno di 15 minuti, e anche più velocemente se possibile."

"Vedendo esattamente come il litio è distribuito all'interno dell'elettrodo, stiamo acquisendo la capacità di determinare con precisione il modo disomogeneo in cui una batteria invecchia."—Daniel Abraham, Scienziato delle batterie di Argonne

Il problema principale con la ricarica rapida si verifica durante il trasporto degli ioni di litio dal catodo positivo all'anodo negativo. Se la batteria viene caricata lentamente, gli ioni di litio estratti dal catodo si inseriscono gradualmente tra i piani di atomi di carbonio che compongono l'anodo di grafite, un processo noto come intercalazione del litio.

Ma quando questo processo viene accelerato, il litio può finire per depositarsi sulla superficie della grafite come metallo, che si chiama placcatura al litio. ?"Quando questo accade, le prestazioni della batteria ne risentono notevolmente, perché il litio placcato non può essere spostato da un elettrodo all'altro, " disse Abramo.

Secondo Abramo, questo metallo di litio ridurrà chimicamente l'elettrolita della batteria, provocando la formazione di un'interfase solido-elettrolita che lega gli ioni di litio in modo che non possano essere trasportati tra gli elettrodi. Di conseguenza, meno energia può essere immagazzinata nella batteria nel tempo.

Per studiare il movimento degli ioni di litio all'interno della batteria, Abraham ha collaborato con il ricercatore post-dottorato Koffi Pierre Yao e il fisico dei raggi X di Argonne John Okasinski presso l'Advanced Photon Source del laboratorio, una struttura per gli utenti di DOE Office of Science. Là, Okasinski ha essenzialmente creato un'immagine 2D della batteria utilizzando i raggi X per visualizzare ogni fase della grafite litiata nell'anodo.

Acquisendo questa visione, i ricercatori sono stati in grado di quantificare con precisione la quantità di litio in diverse regioni dell'anodo durante la carica e la scarica della batteria.

Nello studio, gli scienziati hanno stabilito che il litio si accumula nelle regioni più vicine al separatore della batteria in condizioni di ricarica rapida.

"Ci si potrebbe aspettare che solo dal buon senso, " spiegò Abraham. ?"Ma vedendo esattamente come il litio è distribuito all'interno dell'elettrodo, stiamo acquisendo la capacità di determinare con precisione il modo disomogeneo in cui una batteria invecchia".

Per vedere selettivamente una particolare regione nel cuore della batteria, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata diffrazione di raggi X a dispersione di energia. Invece di variare l'angolo del raggio per raggiungere particolari aree di interesse, i ricercatori hanno variato la lunghezza d'onda della luce incidente.

Usando i raggi X, Gli scienziati di Argonne sono stati in grado di determinare le strutture cristalline presenti negli strati di grafite. Poiché la grafite è un materiale cristallino, l'inserimento del litio provoca l'espansione del reticolo di grafite a vari gradi. Questo rigonfiamento degli strati è evidente come differenza nei picchi di diffrazione, Okasinski ha detto, e le intensità di questi picchi danno il contenuto di litio nella grafite.

Sebbene questa ricerca si concentri su piccole batterie a bottone, Okasinski ha affermato che studi futuri potrebbero esaminare il comportamento della litiazione nelle batterie a tasca più grandi, come quelli che si trovano negli smartphone e nei veicoli elettrici.

Un documento basato sullo studio, "Quantificazione dei gradienti di concentrazione di litio nell'elettrodo di grafite delle celle agli ioni di litio utilizzando la diffrazione di raggi X a dispersione di energia operando, " apparso nel numero online del 9 gennaio di Scienze energetiche e ambientali .