Miliardi di possessori di smartphone hanno familiarità con il temuto simbolo di "batteria scarica" ​​sui loro dispositivi. Mentre i consumatori gemono, gli scienziati stanno lavorando per capire perché e quando le batterie agli ioni di litio nei telefoni, veicoli elettrici plug-in, e altre applicazioni si scaricano o si guastano.

Uno dei migliori strumenti che gli scienziati stanno utilizzando in questa indagine sono i raggi X delle sorgenti luminose avanzate del Dipartimento dell'Energia (DOE). Queste sorgenti luminose utilizzano fasci di elettroni per produrre raggi X che sono oltre un miliardo di volte più potenti di quelli dello studio dentistico. Rispetto ai raggi X più deboli disponibili in altre strutture, le sorgenti luminose consentono ai ricercatori di raccogliere più dati in modo più dettagliato di quanto non sarebbero in grado di fare altrimenti. Gli scienziati stanno utilizzando questi strumenti unici per esaminare come funzionano le batterie agli ioni di litio in tempo reale.

Dal laboratorio alla strada

Negli anni '90, i materiali delle batterie esistenti semplicemente non erano adatti al livello di potenza e prestazioni necessarie per i veicoli ibridi o elettrici plug-in. In risposta, i ricercatori dell'Argonne National Laboratory del DOE hanno utilizzato l'Advanced Photon Source (APS), una struttura utente DOE Office of Science, osservare per la prima volta le interazioni all'interno delle batterie a livello atomico.

L'APS consente inoltre agli scienziati di osservare cosa sta accadendo a livello atomico mentre le batterie si caricano e si scaricano. Con questa comprensione, i produttori possono migliorare le prestazioni e la durata delle batterie e, in definitiva, potrebbero creare componenti elettronici e veicoli elettrici plug-in più convenienti ed efficienti.

Gli scienziati lo fanno usando l'APS per esaminare le batterie in situ, o mentre stanno effettivamente lavorando. In precedenza, gli scienziati hanno eseguito test su una batteria, l'ha smontato, e lo esaminò al microscopio. In contrasto, lo studio delle batterie in situ consente loro sia di osservare gli atomi che si muovono all'interno della batteria, sia di misurare la stabilità della struttura molecolare durante il processo di carica e scarica.

Una volta che i ricercatori supportati dall'Office of Science hanno tracciato i fondamenti, hanno trasferito il lavoro a scienziati applicati supportati dall'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili del DOE. Quella ricerca ha portato a un nuovo catodo per le batterie agli ioni di litio che era più sicuro, più accessibile, e in grado di immagazzinare più energia che mai. (Il catodo è l'elettrodo positivo in una cella di batteria, che accetta ioni di litio ed elettroni dall'anodo negativo durante la scarica o l'uso.) Infatti, questi progressi furono così significativi che Chevrolet utilizzò il catodo nel primo veicolo elettrico plug-in del mercato di massa:il Volt.

Raggi X:duro e morbido

Sia le macchine per la sicurezza degli aeroporti che l'APS producono raggi X "duri", che sono energia più alta con lunghezze d'onda più corte (meno di 1 nanometro o 1/100, 000esimo lo spessore di un pezzo di carta). I raggi X duri sono molto efficaci nel penetrare i materiali e nell'osservare le strutture atomiche.

In contrasto, I raggi X "molli" sono di energia inferiore con lunghezze d'onda più lunghe (1-10 nanometri). Mentre le loro lunghezze d'onda sono troppo lunghe per esaminare le strutture atomiche, forniscono "informazioni chimiche davvero squisite, "secondo David Shapiro, un fisico presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) del DOE. Usando questi raggi X, gli scienziati possono esaminare gli stati chimici e le trasformazioni di questi stati all'interno dei nanomateriali. La sorgente luminosa avanzata a LBNL, una struttura utente DOE Office of Science, è una delle sorgenti più luminose al mondo di raggi X molli.

Ognuna di queste sorgenti luminose consente agli scienziati di studiare un aspetto diverso del puzzle degli ioni di litio.

"Ogni singola tecnica ha una sorta di difetto rispetto all'intera storia, "ha detto Jason Croy, uno scienziato dei materiali ad Argonne. "[Ma] ogni tecnica può essere davvero potente per darti alcune informazioni."

Infatti, i ricercatori apprezzano la sfida di mettere insieme le diverse scoperte.

"È un grande campo perché utilizza i punti di forza di tutte le strutture, " disse Shapiro.

Esaminare le batterie da ogni angolazione

Scienziati dei laboratori nazionali, università, e altri istituti di ricerca stanno utilizzando gli strumenti eccezionali delle strutture per gli utenti per approfondire le interazioni del litio. Il lavoro sulle tre sorgenti luminose è supportato dall'Office of Science del DOE.

Comprensione delle dislocazioni ad Argonne:i ricercatori di Argonne stanno basandosi sul lavoro che ha contribuito al catodo della Chevrolet Volt. Lo studio originale ha cercato di comprendere la struttura del litio con manganese e altre forme di ossido di metallo di transizione prima che passasse attraverso più cicli di carica-scarica.

Ora, gli scienziati stanno esaminando come la struttura della batteria si degrada nel tempo. Quando la batteria si carica e si scarica, gli ioni di litio entrano ed escono dall'anodo e dal catodo. Però, anche gli altri atomi all'interno degli elettrodi si muovono, causando danni e riducendo la capacità della batteria di fornire energia. Utilizzando l'APS, gli scienziati hanno esaminato come si muovono questi singoli atomi e hanno monitorato come la struttura cambia con l'uso.

Attualmente, i ricercatori stanno alterando le strutture delle batterie e stanno vedendo come tali cambiamenti influenzano le batterie. Idealmente, queste modifiche aumenteranno la stabilità delle strutture delle batterie, ridurre al minimo il degrado, e migliorare le proprie prestazioni.

Brookhaven visualizza le batterie in 5D:il Brookhaven National Laboratory (BNL) del DOE ha recentemente aggiunto un'altra dimensione alla ricerca sulle batterie. Hanno sviluppato lo sguardo più completo mai visto sulle batterie:una mappa chimica 3-D su scala nanometrica che registra i cambiamenti nel tempo.

Normalmente, La spettroscopia a raggi X produce immagini 2D che mostrano la media di ciò che sta accadendo su un intero campione. Non mostra cosa sta succedendo nei singoli livelli.

In contrasto, il team BNL ha combinato la National Synchrotron Light Source (NSLS) – allora una struttura per gli utenti DOE – e un esclusivo microscopio a raggi X a trasmissione a campo intero per sviluppare una nuova tecnica di nano-imaging a raggi X. Gli scienziati hanno ruotato i campioni di batterie di 180 gradi sotto i raggi X duri di diverse energie dei raggi X.

"Questa è la prima volta [possiamo] monitorare in situ la trasformazione di fase in 3-D su scala nanometrica in una cella di batteria funzionante, " ha detto Jun Wang, un fisico alla BNL.

Wang e i suoi colleghi continueranno il loro lavoro presso l'NSLS-II, che seguirà dall'originale NSLS. L'NSLS-II alla fine fornirà fasci 10, 000 volte più luminoso del suo predecessore, permettendo agli scienziati di studiare queste reazioni su una scala temporale ancora più precisa.

Ricarica rapida e lenta presso Lawrence Berkeley:i ricercatori di LBNL stanno esaminando lo stesso problema, ma da una prospettiva diversa e utilizzando una macchina diversa. Utilizzando i raggi X molli dalla sorgente di luce avanzata (ALS), stanno esaminando come la velocità di ricarica e se una batteria si sta caricando o scaricando influenza la distribuzione e il trasporto degli ioni.

Un team di ricercatori della Stanford University, lavorando con LBNL, ha costruito una batteria trasparente su nanoscala che ha un decimiliardesimo della carica di uno smartphone. Consente loro di osservare il movimento dei singoli ioni di litio.

Idealmente, gli ioni dovrebbero distribuirsi uniformemente sugli elettrodi mentre si muovono avanti e indietro. Sfortunatamente, non lo fanno, causando stress in alcuni punti.

Il team ha scoperto che la ricarica lenta in realtà portava a una distribuzione più irregolare rispetto alla ricarica rapida. Questo è stato sorprendente, considerando che la ricarica rapida è solitamente considerata più dannosa per la batteria. Hanno anche scoperto che la ricarica della batteria ha causato una distribuzione più irregolare rispetto alla scarica, o usando la batteria, fa.

Basandosi su questa ricerca, Gli scienziati di LBNL potrebbero essere in grado di ridurre una fonte di danni alle batterie, migliorandone le prestazioni e la durata.