Si prevede che le batterie agli ioni di litio avranno un valore di mercato globale di 47 miliardi di dollari entro il 2023. Sono utilizzate in numerose applicazioni, perché offrono una densità di energia relativamente alta (capacità di stoccaggio), alta tensione di esercizio, lunga durata e poco "effetto memoria":una riduzione della capacità massima di una batteria ricaricabile a causa di scariche incomplete negli usi precedenti. Però, fattori come la sicurezza, il ciclo di carica-scarica e l'aspettativa di vita operativa continuano a limitare l'efficacia delle batterie agli ioni di litio nelle applicazioni pesanti, come per l'alimentazione di veicoli elettrici.

I ricercatori della School of Engineering dell'Università della Virginia stanno impiegando tecniche di imaging neutronico presso l'Oak Ridge National Laboratory per sondare le batterie agli ioni di litio e ottenere informazioni sulle caratteristiche elettrochimiche dei materiali e delle strutture delle batterie. La loro ricerca, pubblicato in Journal of Power Sources , focalizzato sul monitoraggio dei processi di litiazione e delithiation, o di carica e scarica, negli elettrodi della batteria agli ioni di litio utilizzando campioni sinterizzati sottili e spessi di due materiali elettroattivi, titanato di litio e ossido di litio cobalto.

Comprendere come si muove il litio negli elettrodi della batteria è importante nella progettazione di batterie in grado di caricarsi e scaricarsi a velocità più elevate. In alcune batterie questo è il processo più lento, il che significa che migliorare il movimento del litio attraverso gli elettrodi potrebbe portare a batterie che possono essere ricaricate molto più velocemente.

"Quando gli elettrodi sono relativamente spessi, il trasporto di ioni di litio attraverso il materiale poroso e l'architettura del separatore può limitare i tassi di carica e scarica, "ha detto Gary Koenig, professore associato di ingegneria chimica presso UVA Engineering. "Per sviluppare metodi per migliorare il trasporto di ioni di litio attraverso le regioni vuote porose di un elettrodo piene di elettrolita, dobbiamo prima essere in grado di tracciare il trasporto e la distribuzione degli ioni all'interno di una cella durante i processi di carica e scarica".

Secondo Koenig, altre tecniche come la diffrazione dei raggi X ad alta risoluzione possono fornire dati strutturali dettagliati durante i processi elettrochimici, ma questo metodo in genere fa la media di volumi relativamente grandi del materiale. Allo stesso modo, L'imaging di fase a raggi X può visualizzare le concentrazioni di sale negli elettroliti della batteria, ma la tecnica richiede una cella spettrochimica speciale e può accedere solo alle informazioni sulla composizione tra le regioni dell'elettrodo.

Per ottenere informazioni dettagliate su un'area più ampia, i ricercatori hanno condotto i loro studi utilizzando neutroni presso la linea di luce di imaging di neutroni freddi presso l'High Flux Isotope Reactor di Oak Ridge.

"Il litio ha un grande coefficiente di assorbimento per i neutroni, il che significa che i neutroni che passano attraverso un materiale sono altamente sensibili alle sue concentrazioni di litio, " ha detto Ziyang Nie, autore principale e studente laureato nel gruppo di Koenig. "Abbiamo dimostrato di poter utilizzare le radiografie di neutroni per tracciare la litiazione in situ in catodi di ossido di metallo sottili e spessi all'interno delle celle della batteria. Poiché i neutroni sono altamente penetranti, non abbiamo dovuto costruire celle personalizzate per l'analisi e siamo stati in grado di tracciare il litio attraverso l'intera regione attiva contenente sia gli elettrodi che l'elettrolita".

Il confronto del processo di litiazione in elettrodi sottili e spessi è essenziale per aiutare a comprendere gli effetti dell'eterogeneità:variazioni locali in meccanica, strutturale, trasporto e proprietà cinetiche, sulla durata e le prestazioni della batteria. L'eterogeneità locale può anche comportare una corrente della batteria non uniforme, temperature, stato di carica e invecchiamento. Tipicamente, all'aumentare dello spessore di un elettrodo, così fanno gli effetti dannosi dell'eterogeneità sulle prestazioni della batteria. Ancora, se anodi e catodi più spessi potrebbero essere utilizzati nelle batterie senza influire su altri fattori, aiuterebbe ad aumentare le capacità di stoccaggio dell'energia.

Per i primi esperimenti, i campioni di elettrodi sottili avevano spessori di 0,738 mm per il titanato di litio e 0,463 mm per l'ossido di cobalto di litio, mentre i campioni di titanato di litio spesso e ossido di cobalto di litio erano 0,886 mm e 0,640 mm, rispettivamente.

"Il nostro obiettivo immediato è sviluppare un modello che ci aiuti a capire come modificare la struttura di un elettrodo, come cambiare il modo in cui il materiale è orientato o distribuito, potrebbe migliorare le proprietà di trasporto ionico, " ha detto Koenig. "Imaging attraverso ogni campione in diversi momenti nel tempo, siamo stati in grado di creare mappe 2-D della distribuzione del litio. Nel futuro, abbiamo in programma di ruotare i nostri campioni all'interno del fascio di neutroni per fornire informazioni 3D che riveleranno in modo più dettagliato come l'eterogeneità influisce sul trasporto ionico".