Un team internazionale di ricercatori appena pubblicato su Materiali energetici avanzati lo studio più ampio su ciò che accade durante il guasto della batteria, concentrandosi contemporaneamente sulle diverse parti di una batteria. Il ruolo dell'ESRF, il sincrotrone europeo, in Francia, fu determinante per il suo successo.

Lo abbiamo sperimentato tutti:hai caricato il tuo cellulare e dopo un breve periodo di utilizzo, la batteria si scarica insolitamente rapidamente. L'elettronica di consumo sembra perdere potenza a velocità irregolari e ciò è dovuto all'eterogeneità delle batterie. Quando il telefono è in carica, lo strato superiore si carica per primo e lo strato inferiore si carica dopo. Il telefono cellulare potrebbe indicare che è completo quando il livello di superficie superiore ha terminato la ricarica, ma il fondo sarà sottostimato. Se usi il livello inferiore come impronta digitale, lo strato superiore sarà sovraccaricato e avrà problemi di sicurezza.

La verità è, le batterie sono composte da molte parti diverse che si comportano in modo diverso. Il polimero solido aiuta a tenere insieme le particelle, gli additivi al carbonio forniscono il collegamento elettrico, e poi ci sono le particelle attive della batteria che immagazzinano e rilasciano l'energia.

Un team internazionale di scienziati dell'ESRF, SLAC, Virginia Tech e Purdue University volevano capire e definire quantitativamente cosa porta al guasto delle batterie agli ioni di litio. Fino ad allora, gli studi avevano ingrandito singole aree o particelle nel catodo durante il guasto o avevano rimpicciolito per osservare il comportamento a livello di cellula senza offrire dettagli microscopici sufficienti. Ora questo studio fornisce la prima visione globale con una quantità senza precedenti di dettagli strutturali microscopici per completare gli studi esistenti nella letteratura sulle batterie.

Se hai un elettrodo perfetto, ogni singola particella dovrebbe comportarsi allo stesso modo. Però, gli elettrodi sono molto eterogenei e contengono milioni di particelle. Non c'è modo di garantire che ogni particella si comporti allo stesso modo allo stesso tempo.

Per vincere questa sfida, il team di ricerca ha fatto molto affidamento sui metodi a raggi X di sincrotrone e ha utilizzato due strutture di sincrotrone per studiare gli elettrodi nelle batterie, l'ESRF, il sincrotrone europeo di Grenoble, Francia e SLAC National Accelerator Laboratory di Stanford, in noi. "L'ESRF ci ha permesso di studiare maggiori quantità di particelle di batteria a una risoluzione più elevata, "dice Feng Lin, professore assistente alla Virginia Tech. Esperimenti complementari, in particolare spettromicroscopia a raggi X a nanorisoluzione, si è svolto allo SLAC.

"La nanotomografia a contrasto di fase a raggi X duri ci ha mostrato ogni particella con una risoluzione notevole su tutto lo spessore dell'elettrodo. Questo ci ha permesso di monitorare il livello di danno in ciascuna di esse dopo aver usato la batteria. Circa la metà dei dati della carta è arrivata dall'ESRF, " spiega Yang Yang, scienziato all'ESRF e primo autore del documento.

"Prima degli esperimenti non sapevamo di poter studiare queste molte particelle contemporaneamente. L'imaging delle singole particelle attive della batteria è stato il fulcro di questo campo. Per creare una batteria migliore, è necessario massimizzare il contributo di ogni singola particella, "dice Yijin Liu, scienziato presso SLAC.

Il laboratorio Virginia Tech ha prodotto i materiali e le batterie, che sono stati poi testati per i loro comportamenti di carica e degrado presso l'ESRF e lo SLAC. Kejie Zhao, professore assistente alla Purdue University, ha guidato lo sforzo di modellazione computazionale in questo progetto.

I risultati di questa pubblicazione offrono un metodo diagnostico per l'utilizzo delle particelle e lo sbiadimento delle batterie. "Questo potrebbe migliorare il modo in cui l'industria progetta gli elettrodi per le batterie a ricarica rapida, "conclude Yang.