Costruire una migliore batteria agli ioni di litio implica affrontare una miriade di fattori contemporaneamente, dal mantenere il catodo della batteria elettricamente e ionicamente conduttivo all'assicurarsi che la batteria rimanga sicura dopo molti cicli.

In una nuova scoperta, gli scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory hanno sviluppato un nuovo rivestimento catodico utilizzando una tecnica di deposizione chimica da vapore ossidativo che può aiutare a risolvere questi e molti altri potenziali problemi con le batterie agli ioni di litio in un colpo solo.

"Il rivestimento che abbiamo scoperto colpisce davvero cinque o sei piccioni con una fava". Khalil ammina, Argonne illustre collega e scienziato delle batterie.

Nella ricerca, Amine e i suoi colleghi ricercatori hanno preso particelle del pionieristico materiale catodico nichel-manganese-cobalto (NMC) di Argonne e le hanno incapsulate con un polimero contenente zolfo chiamato PEDOT. Questo polimero fornisce al catodo uno strato di protezione dall'elettrolita della batteria mentre la batteria si carica e si scarica.

A differenza dei rivestimenti convenzionali, che proteggono solo la superficie esterna delle particelle catodiche di dimensioni micron e lasciano l'interno vulnerabile alle fessurazioni, il rivestimento PEDOT aveva la capacità di penetrare all'interno della particella catodica, aggiungendo un ulteriore strato di schermatura.

Inoltre, sebbene PEDOT impedisca l'interazione chimica tra la batteria e l'elettrolita, consente il trasporto necessario di ioni di litio ed elettroni che la batteria richiede per funzionare.

"Questo rivestimento è essenzialmente favorevole a tutti i processi e alla chimica che fa funzionare la batteria e ostile a tutte le potenziali reazioni che potrebbero causare il degrado o il malfunzionamento della batteria, " disse il chimico delle Argonne Guiliang Xu, il primo autore della ricerca.

Il rivestimento impedisce inoltre in gran parte un'altra reazione che provoca la disattivazione del catodo della batteria. In questa reazione, il materiale del catodo si converte in un'altra forma chiamata spinello. "La combinazione di quasi nessuna formazione di spinello con le sue altre proprietà rende questo rivestimento un materiale molto interessante, " disse Amina.

Il materiale PEDOT ha anche dimostrato la capacità di prevenire il rilascio di ossigeno, un fattore importante per la degradazione dei materiali del catodo NMC ad alta tensione. "Si è scoperto che questo rivestimento PEDOT è anche in grado di sopprimere il rilascio di ossigeno durante la carica, che porta a una migliore stabilità strutturale e migliora anche la sicurezza, " disse Amina.

Amine ha indicato che gli scienziati delle batterie potrebbero probabilmente aumentare il rivestimento per l'uso in batterie contenenti NMC ricche di nichel. "Questo polimero è in circolazione da un po', ma siamo rimasti comunque sorpresi nel vedere che ha tutti gli effetti incoraggianti che ha, " Egli ha detto.

Con il rivestimento applicato, i ricercatori ritengono che le batterie contenenti NMC potrebbero funzionare a tensioni più elevate, aumentando così la loro produzione di energia, o avere una vita più lunga, o entrambi.

Per eseguire la ricerca, gli scienziati si sono affidati a due DOE Office of Science User Facilities situate ad Argonne:l'Advanced Photon Source (APS) e il Center for Nanoscale Materials (CNM). Le misurazioni della diffrazione di raggi X ad alta energia in situ sono state effettuate alla linea di luce 11-ID-C dell'APS, e la litografia a fascio ionico focalizzato e la microscopia elettronica a trasmissione sono state eseguite presso il CNM.

Un documento basato sullo studio, "Costruire strati protettivi ultra-conformi su particelle sia secondarie che primarie di catodi di ossido di metallo di transizione di litio a strati, " apparso nell'edizione online del 13 maggio di Energia della natura .