Un'illustrazione mostra il catodo di una batteria in fase di transizione di fase da fosfato di ferro (FP) a fosfato di ferro e litio (LFP) durante la carica. Le simulazioni degli scienziati della Rice University hanno dimostrato che l'aggiunta di difetti - distorsioni nei loro reticoli cristallini - potrebbe aiutare le batterie a caricarsi più velocemente. Credito:Kaiqi Yang/Rice University
Ecco un caso in cui le deviazioni accelerano il traffico. Il risultato potrebbe essere batterie migliori per il trasporto, elettronica e accumulo di energia solare.
Gli scienziati della Brown School of Engineering della Rice University hanno scoperto che l'inserimento di difetti specifici nel reticolo cristallino dei catodi a base di fosfato di ferro e litio amplia le strade attraverso le quali viaggiano gli ioni di litio. I loro calcoli teorici potrebbero migliorare le prestazioni fino a due ordini di grandezza e indicare la strada per miglioramenti simili in altri tipi di batterie.
Questi difetti, noti come antisiti, si formano quando gli atomi sono posti nelle posizioni sbagliate sul reticolo, cioè quando gli atomi di ferro siedono sui siti che dovrebbero essere occupati dal litio. I difetti antisito impediscono il movimento del litio all'interno del reticolo cristallino e sono generalmente considerati dannosi per le prestazioni della batteria.
Nel caso del litio ferro fosfato, però, i ricercatori di Rice hanno scoperto che creano molte deviazioni all'interno del catodo e consentono agli ioni di litio di raggiungere il fronte di reazione su una superficie più ampia, che aiuta a migliorare la velocità di carica o scarica delle batterie.
La ricerca appare sulla rivista Nature Materiali di calcolo .
Kaiqi Yang, studente laureato alla Rice University, sinistra, e lo scienziato dei materiali Ming Tang ha modellato come i difetti ingegneristici nel reticolo atomico di un catodo di fosfato di ferro possono migliorare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Il litio ferro fosfato è un materiale catodico ampiamente utilizzato per le batterie agli ioni di litio e funge anche da buon sistema modello per studiare la fisica alla base del processo di ciclo della batteria, ha detto lo scienziato dei materiali di riso Ming Tang, che ha svolto la ricerca con l'alunno Liang Hong, ora ricercatore presso MathWorks, e lo studente laureato Kaiqi Yang.
All'inserimento del litio, il catodo cambia da una fase povera di litio a una ricca di litio, disse Tang, un assistente professore di scienza dei materiali e nanoingegneria. Quando la cinetica di reazione superficiale è lenta, il litio può essere inserito solo nel litio ferro fosfato all'interno di una stretta regione superficiale attorno al confine di fase, la "strada", un fenomeno che limita la velocità con cui la batteria può ricaricarsi.
"Se non ci sono difetti, il litio può entrare solo in questa piccola regione proprio intorno al confine di fase, " ha detto. "Tuttavia, i difetti antisito possono far sì che l'inserimento del litio avvenga in modo più uniforme su tutta la superficie, e così il confine si sposterebbe più velocemente e la batteria si caricherebbe più velocemente.
"Se si forza la ricarica rapida del catodo privo di difetti applicando una tensione elevata, ci sarà un flusso di litio locale molto alto in superficie e questo può causare danni al catodo, " ha detto. "Questo problema può essere risolto utilizzando i difetti per diffondere il flusso su tutta la superficie del catodo".
La ricottura del materiale, riscaldandolo senza bruciarlo, potrebbe essere utilizzato per controllare la concentrazione dei difetti. Tang ha affermato che i difetti consentirebbero anche l'utilizzo di particelle catodiche più grandi rispetto ai cristalli su scala nanometrica per contribuire a migliorare la densità energetica e ridurre il degrado superficiale.
"Una previsione interessante del modello è che questa configurazione ottimale del difetto dipende dalla forma delle particelle, " Egli ha detto, "Abbiamo visto che le sfaccettature di un certo orientamento potrebbero rendere le deviazioni più efficaci nel trasporto di ioni di litio. Pertanto, vorrai avere più di queste sfaccettature esposte sulla superficie del catodo."
Tang ha affermato che il modello potrebbe essere applicato come strategia generale per migliorare i composti delle batterie a cambiamento di fase.
"Per materiali strutturali come acciaio e ceramica, le persone giocano sempre con i difetti per rendere i materiali più resistenti, " ha detto. "Ma non abbiamo parlato molto dell'uso dei difetti per rendere migliori i materiali delle batterie. Generalmente, la gente vede i difetti come fastidi da eliminare.
"Ma pensiamo di poter trasformare i difetti in amici, non nemici, per una migliore conservazione dell'energia."
