Un team di scienziati, tra cui ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dello SLAC National Accelerator Laboratory, ha identificato le cause del degrado in un materiale catodico per batterie agli ioni di litio, oltre ai possibili rimedi. Le loro scoperte, pubblicato il 7 marzo in Materiali funzionali avanzati , potrebbe portare allo sviluppo di batterie più convenienti e con prestazioni migliori per i veicoli elettrici.

Alla ricerca di materiali catodici ad alte prestazioni

Affinché i veicoli elettrici offrano la stessa affidabilità dei veicoli a gas, hanno bisogno di batterie leggere ma potenti. Le batterie agli ioni di litio sono il tipo più comune di batteria che si trova oggi nei veicoli elettrici, ma il loro costo elevato e la durata limitata sono limitazioni all'ampia diffusione dei veicoli elettrici. Per superare queste sfide, gli scienziati di molti dei laboratori nazionali del DOE stanno ricercando modi per migliorare la tradizionale batteria agli ioni di litio.

Le batterie sono composte da un anodo, un catodo, e un elettrolita, ma molti scienziati considerano il catodo la sfida più urgente. I ricercatori di Brookhaven fanno parte di un consorzio sponsorizzato dal DOE chiamato Battery500, un gruppo che sta lavorando per triplicare la densità energetica delle batterie che alimentano i veicoli elettrici di oggi. Uno dei loro obiettivi è ottimizzare una classe di materiali catodici chiamati materiali stratificati ricchi di nichel.

"I materiali stratificati sono molto attraenti perché sono relativamente facili da sintetizzare, ma anche perché hanno un'elevata capacità e densità di energia, " ha detto il chimico di Brookhaven Enyuan Hu, un autore della carta.

L'ossido di litio-cobalto è un materiale stratificato che è stato utilizzato per molti anni come catodo per le batterie agli ioni di litio. Nonostante la sua applicazione di successo in piccoli sistemi di accumulo di energia come l'elettronica portatile, il costo e la tossicità del cobalto sono barriere per l'uso del materiale in sistemi più grandi. Ora, i ricercatori stanno studiando come sostituire il cobalto con elementi più sicuri e più economici senza compromettere le prestazioni del materiale.

"Abbiamo scelto un materiale stratificato ricco di nichel perché il nichel è meno costoso e tossico del cobalto, " Hu ha detto. "Tuttavia, il problema è che i materiali stratificati ricchi di nichel iniziano a degradarsi dopo più cicli di carica-scarica in una batteria. Il nostro obiettivo è individuare la causa di questo degrado e fornire possibili soluzioni".

Determinazione della causa dell'esaurimento della capacità

I materiali catodici possono degradarsi in diversi modi. Per materiali ricchi di nichel, il problema è principalmente lo sbiadimento della capacità, una riduzione della capacità di carica-scarica della batteria dopo l'uso. Per comprendere appieno questo processo nei loro materiali stratificati ricchi di nichel, gli scienziati avevano bisogno di utilizzare più tecniche di ricerca per valutare il materiale da diverse angolazioni.

"Questo è un materiale molto complesso. Le sue proprietà possono cambiare a diverse scale di lunghezza durante il ciclismo, " Hu ha detto. "Avevamo bisogno di capire come la struttura del materiale cambiasse durante il processo di carica-scarica sia fisicamente, su scala atomica, che chimicamente, che ha coinvolto più elementi:nichel, cobalto, manganese, ossigeno, e litio."

Fare così, Hu e i suoi colleghi hanno caratterizzato il materiale in più strutture di ricerca, tra cui due sorgenti di luce di sincrotrone:la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) a Brookhaven e la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) a SLAC. Entrambi sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science.

"Ad ogni scala di lunghezza in questo materiale, dagli angstrom ai nanometri e ai micrometri, sta succedendo qualcosa durante il processo di carica-scarica della batteria, " ha detto il co-autore Eli Stavitski, scienziato della linea di luce della linea di luce Spettroscopia a guscio interno (ISS) di NSLS-II. "Abbiamo usato una tecnica chiamata spettroscopia di assorbimento a raggi X (XAS) qui alla ISS per rivelare un'immagine atomica dell'ambiente intorno agli ioni metallici attivi nel materiale".

I risultati degli esperimenti XAS presso NSLS-II hanno portato i ricercatori a concludere che il materiale aveva una struttura robusta che non rilasciava ossigeno dalla massa, sfidare le credenze precedenti. Anziché, i ricercatori hanno identificato che il ceppo e il disturbo locale erano principalmente associati al nichel.

Per approfondire, il team ha condotto esperimenti di microscopia a raggi X a trasmissione (TXM) presso SSRL, mappare tutte le distribuzioni chimiche nel materiale. Questa tecnica produce un insieme di dati molto ampio, quindi gli scienziati di SSRL hanno applicato l'apprendimento automatico per ordinare i dati.

"Questi esperimenti hanno prodotto un'enorme quantità di dati, ed è qui che è arrivato il nostro contributo informatico, " ha detto il co-autore Yijin Liu, uno scienziato del personale SLAC. "Non sarebbe stato pratico per gli umani analizzare tutti questi dati, quindi abbiamo sviluppato un approccio di apprendimento automatico che ha cercato tra i dati e ha espresso giudizi su quali posizioni fossero problematiche. Questo ci ha detto dove guardare e ha guidato la nostra analisi".

Hu ha detto, "La conclusione principale che abbiamo tratto da questo esperimento è stata che c'erano considerevoli disomogeneità negli stati di ossidazione degli atomi di nichel in tutta la particella. Parte del nichel all'interno della particella ha mantenuto uno stato ossidato, e probabilmente disattivato, mentre il nichel in superficie si riduceva irreversibilmente, diminuendo la sua efficienza».

Ulteriori esperimenti hanno rivelato piccole crepe formate all'interno della struttura del materiale.

"Durante il processo di carica-scarica di una batteria, il materiale del catodo si espande e si restringe, creare stress, " Hu ha detto. "Se quello stress può essere rilasciato rapidamente, allora non causa un problema ma, se non può essere rilasciato in modo efficiente, allora possono verificarsi crepe."

Gli scienziati credevano di poter mitigare questo problema sintetizzando un nuovo materiale con una struttura scavata. Hanno testato e confermato quella teoria sperimentalmente, anche attraverso calcoli. Andando avanti, il team prevede di continuare a sviluppare e caratterizzare nuovi materiali per migliorarne l'efficienza.

"Lavoriamo in un ciclo di sviluppo, " Stavitski ha detto. "Sviluppa il materiale, quindi lo caratterizzi per ottenere informazioni sulle sue prestazioni. Poi torni da un chimico sintetico per sviluppare una struttura materiale avanzata, e poi lo caratterizzi di nuovo. È un percorso di miglioramento continuo".

Inoltre, mentre NSLS-II continua a sviluppare le sue capacità, gli scienziati hanno in programma di completare esperimenti TXM più avanzati su questo tipo di materiali, sfruttando la luce ultrabrillante di NSLS-II.