Le auto elettriche si affidano alla stessa tecnologia delle batterie agli ioni di litio presente negli smartphone, laptop e praticamente tutto ciò che è elettronico.

Ma la tecnologia è stata estremamente lenta a migliorare. Mentre le auto elettriche possono più che gestire il pendolarismo quotidiano dell'americano medio, l'auto a gas media può ancora andare più lontano con un pieno di benzina, le stazioni di ricarica sono scarse e ci vuole molto più tempo per caricare una batteria che per riempire un serbatoio.

Per migliorare la capacità di ricarica delle batterie agli ioni di litio e aumentare l'adozione di auto elettriche, l'industria dovrà tornare alla scienza di base di come le batterie si consumano nel tempo.

Un team di ricercatori multi-istituto ha sviluppato la visione più completa mai vista degli elettrodi per batterie agli ioni di litio, dove la maggior parte dei danni si verifica in genere caricandoli ripetutamente. I produttori potrebbero utilizzare queste informazioni per progettare batterie per il tuo smartphone o la tua auto che siano sia più affidabili che più durature, dicono i ricercatori.

"La creazione di conoscenza a volte è più preziosa che risolvere il problema del danneggiamento degli elettrodi della batteria, "ha detto Kejie Zhao, un assistente professore di ingegneria meccanica alla Purdue University. "Prima, le persone non avevano le tecniche o la teoria per capire questo problema".

La tecnica, spiegato sui giornali Materiali energetici avanzati e il Journal of the Mechanics and Physics of Solids , è essenzialmente uno strumento a raggi X guidato dall'intelligenza artificiale. Può scansionare automaticamente migliaia di particelle in un elettrodo di una batteria agli ioni di litio contemporaneamente, fino agli atomi che compongono le particelle stesse, utilizzando algoritmi di apprendimento automatico.

Concesso, ci sono in realtà milioni di particelle in un elettrodo di batteria. Ma i ricercatori possono ora analizzarli in modo più approfondito di quanto facessero prima - e alle varie condizioni operative in cui utilizziamo le batterie commerciali nel mondo reale, come la loro finestra di tensione e quanto velocemente si caricano.

"La maggior parte del lavoro si è concentrato sul livello di una singola particella e sull'utilizzo di quell'analisi per comprendere l'intera batteria. Ma c'è ovviamente un divario lì; molto differisce tra una singola particella su una scala di micron e l'intera batteria su una scala molto più ampia, " disse Zhao, il cui laboratorio studia la scienza fondamentale di come gli aspetti meccanici ed elettrochimici di una batteria si influenzano a vicenda.

Ogni volta che una batteria si carica, gli ioni di litio viaggiano avanti e indietro tra un elettrodo positivo e un elettrodo negativo. Questi ioni interagiscono con le particelle negli elettrodi, provocandone la rottura e il degrado nel tempo. Il danneggiamento dell'elettrodo riduce la capacità di carica della batteria.

È difficile per una batteria avere una capacità elevata ed essere affidabile allo stesso tempo, dice Zhao. Aumentare la capacità di una batteria spesso significa sacrificarne l'affidabilità.

Il lavoro dei ricercatori per mappare i danni nelle batterie agli ioni di litio è iniziato con la scoperta che il degrado nelle particelle delle batterie non avviene nello stesso momento o nello stesso luogo; alcune particelle si guastano più rapidamente di altre.

Ma per studiarlo veramente in modo più dettagliato, il team aveva bisogno di creare una nuova tecnica del tutto; i metodi esistenti non catturerebbero completamente i danni negli elettrodi della batteria.

I ricercatori si sono rivolti a massicci, strutture lunghe miglia chiamate sincrotroni presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) e la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) dello SLAC National Laboratory. Queste strutture ospitano particelle che viaggiano quasi alla velocità della luce, emettendo radiazioni che vengono utilizzate per creare immagini chiamate raggi X di sincrotrone.

I ricercatori della Virginia Tech hanno prodotto i materiali e le batterie per i test, dalle batterie a marsupio degli smartphone alle pile a bottone degli orologi. I ricercatori di ESRF e SSRL hanno creato la capacità di scansionare il maggior numero possibile di particelle di elettrodi in queste batterie in una volta sola, quindi produrre queste immagini a raggi X per l'analisi. Mappe di fessurazione e degradazione delle particelle sulla superficie delle particelle, chiamato "debonding interfacciale, " può ora servire come strumento di riferimento per conoscere i vari gradi di danno negli elettrodi della batteria.

Per capire come queste crepe influiscano sulle prestazioni della batteria, Il team di Zhao alla Purdue ha sviluppato teorie e strumenti di calcolo. Hanno trovato, Per esempio, questo perché le particelle vicino al punto in cui gli ioni di litio si spostano avanti e indietro, chiamato il "separatore, " sono più utilizzate delle particelle vicino al fondo dei materiali degli elettrodi, falliscono più rapidamente.

Questa variabilità nel danno alle particelle degli elettrodi, o "degrado eterogeneo, " è più grave negli elettrodi più spessi e durante le condizioni di ricarica rapida.

"La capacità delle batterie non dipende da quante particelle ci sono nella batteria; ciò che conta è come vengono utilizzati gli ioni di litio, " Ha detto Zhao.

L'obiettivo del progetto non è che ogni ricercatore e attore del settore utilizzi la tecnica stessa, soprattutto considerando che negli Stati Uniti ci sono solo una manciata di sincrotroni, ma che questi gruppi utilizzino la conoscenza generata dalla tecnica. I ricercatori intendono continuare a utilizzare la tecnica per documentare come si verificano i danni e influiscono sulle prestazioni delle batterie commerciali.