A sinistra, un modello 3D degli scienziati dei materiali della Rice University mostra un confine di fase quando un catodo di fosfato di ferro e litio delitiante subisce una scarica rapida. A destra, una sezione trasversale mostra il confine "a forma di dito" tra fosfato di ferro (blu) e litio (rosso). Gli ingegneri della Rice hanno scoperto che troppi difetti intenzionali destinati a migliorare le batterie possono infatti degradarne le prestazioni e la durata. Credito:Mesoscale Materials Science Group/Rice University
Difetti intenzionali nelle batterie hanno offerto agli scienziati della Rice University una finestra sui rischi di spingere troppo le celle agli ioni di litio.
Nuove simulazioni dello scienziato dei materiali di riso Ming Tang e dello studente laureato Kaiqi Yang, dettagliato nel Journal of Materials Chemistry A , mostra troppo stress nei catodi litio ferro fosfato ampiamente utilizzati può aprire crepe e degradare rapidamente le batterie.
Il lavoro estende la recente ricerca Rice che ha dimostrato come l'inserimento di difetti nelle particelle che compongono il catodo potrebbe migliorare le prestazioni della batteria fino a due ordini di grandezza aiutando il litio a muoversi in modo più efficiente.
Ma il successivo studio di modellazione del laboratorio ha rivelato un avvertimento. Sotto la pressione di una rapida carica e scarica, catodi carichi di difetti rischiano la frattura.
"L'immagine convenzionale è che il litio si muove uniformemente nel catodo, con una regione ricca di litio che si espande dolcemente nel centro del catodo, " disse Tang, un assistente professore di scienza dei materiali e nanoingegneria presso la Brown School of Engineering di Rice.
Ma le immagini a raggi X scattate in un altro laboratorio hanno mostrato qualcos'altro. "Hanno visto un confine simile a un dito tra le regioni ricche di litio e quelle povere di litio, quasi come quando inietti l'acqua nell'olio, " ha detto. "La nostra domanda era, cosa causa questo?"
La radice del problema sembra essere che lo stress destabilizza il confine inizialmente piatto e lo fa diventare ondulato, ha detto Tang. Il cambiamento nella forma del confine aumenta ulteriormente il livello di stress e innesca la formazione di crepe. Lo studio del gruppo di Tang mostra che tale instabilità può essere aumentata da un tipo comune di difetto nei composti delle batterie chiamati antisiti, dove gli atomi di ferro occupano punti nel cristallo dove dovrebbero essere gli atomi di litio.
"Gli antisiti possono essere una buona cosa, come abbiamo mostrato nell'ultimo documento, perché accelerano la cinetica di intercalazione del litio, "Tang ha detto, "Ma qui mostriamo un controeffetto:troppi antisiti nelle particelle incoraggiano l'interfaccia in movimento a diventare instabile e quindi a generare più stress".
Lo studente laureato in riso Kaiqi Yang, sinistra, e lo scienziato dei materiali Ming Tang hanno determinato che la carica e la scarica rapida di alcune batterie agli ioni di litio con difetti intenzionali ne degrada le prestazioni e la resistenza. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Tang crede che ci sia un punto debole per il numero di antisiti in un catodo:abbastanza per migliorare le prestazioni ma troppo pochi per promuovere l'instabilità. "Vuoi avere un livello adeguato di difetti, e ci vorranno alcuni tentativi ed errori per capire come raggiungere la giusta quantità attraverso la ricottura delle particelle, " ha detto. "Pensiamo che le nostre nuove previsioni potrebbero essere utili agli sperimentalisti".
