Gli ingegneri si sforzano di progettare smartphone con batterie più durature, veicoli elettrici che possono guidare per centinaia di chilometri con una singola carica, e una rete elettrica affidabile in grado di immagazzinare energia rinnovabile per un uso futuro. Ognuna di queste tecnologie è a portata di mano, ovvero se gli scienziati possono costruire materiali catodici migliori.

Ad oggi, la strategia tipica per migliorare i materiali catodici è stata quella di alterare la loro composizione chimica. Ma ora, i chimici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno fatto una nuova scoperta sulle prestazioni della batteria che indica una strategia diversa per l'ottimizzazione dei materiali del catodo. La loro ricerca, pubblicato in Chimica dei materiali e presentato in Scelta dell'editore ACS , si concentra sul controllo della quantità di difetti strutturali nel materiale del catodo.

"Invece di cambiare la composizione chimica del catodo, possiamo alterare la disposizione dei suoi atomi, " ha detto l'autore corrispondente Peter Khalifah, un chimico al Brookhaven Lab e alla Stony Brook University.

Oggi, la maggior parte dei materiali catodici è composta da strati alternati di ioni di litio e metalli di transizione, come il nichel. All'interno di quella struttura a strati, di solito si può trovare un piccolo numero di difetti. Ciò significa che gli atomi di un metallo di transizione possono essere trovati dove dovrebbe essere uno ione di litio e viceversa.

"Si può pensare ad un difetto come ad un 'errore' nella perfezione della struttura del materiale, " Khalifah ha detto. "È noto che molti difetti porteranno a scarse prestazioni della batteria, ma quello che abbiamo imparato è che un piccolo numero di difetti dovrebbe effettivamente migliorare le proprietà chiave".

Khalifah afferma che ci sono due proprietà che avrà un buon materiale catodico:conduttività ionica (gli ioni di litio possono muoversi bene) e conduttività elettronica (gli elettroni possono muoversi bene).

"La presenza di un difetto è come fare un buco tra gli ioni di litio e gli strati di metallo di transizione nel catodo, " ha detto. "Invece di essere confinato a due dimensioni, gli ioni di litio e gli elettroni possono muoversi in tre dimensioni attraverso gli strati".

Per fare questa conclusione, gli scienziati avevano bisogno di condurre esperimenti ad alta precisione che misurassero la concentrazione di difetti in un materiale catodico con una precisione molto maggiore di quanto non fosse mai stato fatto prima.

"La concentrazione di difetti in un materiale catodico può variare tra il due e il cinque percento, " Khalifah ha detto. "Prima, i difetti potevano essere misurati solo con una sensibilità di circa l'uno per cento. In questo studio, abbiamo misurato la concentrazione dei difetti con una precisione squisita, una sensibilità di un decimo di punto percentuale".

Per ottenere questa precisione, gli scienziati hanno condotto analisi di diffrazione da polvere utilizzando i dati di due strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE, l'Advanced Photon Source (APS) presso l'Argonne National Laboratory del DOE e la Spallation Neutron Source (SNS) presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE.

La diffrazione da polvere è una potente tecnica di ricerca che rivela la posizione dei singoli atomi all'interno di un materiale dirigendo fasci di raggi X, neutroni, o elettroni al materiale e studiando come i fasci si diffrangono. In questo studio, gli scienziati hanno condotto misurazioni a raggi X presso l'APS e misurazioni dei neutroni presso SNS.

"Questo lavoro ha sviluppato un nuovo modo di visualizzare i difetti strutturali e la loro relazione con la diffrazione e la forza di dispersione, " disse Saulo Lapido, un fisico nella divisione di scienze dei raggi X presso l'APS. "Mi aspetto che in futuro questa tecnica venga utilizzata comunemente nella comunità delle batterie per comprendere i difetti e le caratterizzazioni strutturali dei materiali del catodo".

Khalifah ha aggiunto, "la capacità di misurare la concentrazione di elementi debolmente scattering con la sensibilità di un decimo di punto percentuale sarà utile anche per molte altre aree di ricerca, come misurare le vacanze di ossigeno nei materiali superconduttori o nei catalizzatori".

Con misurazioni così accurate delle concentrazioni di difetti, gli scienziati potrebbero quindi studiare la relazione tra i difetti e la chimica del materiale catodico.

In definitiva, hanno sviluppato una "ricetta" per raggiungere qualsiasi concentrazione di difetto, quale, nel futuro, potrebbe guidare gli scienziati a sintetizzare i catodi da materiali più convenienti e rispettosi dell'ambiente e quindi regolare le loro concentrazioni di difetti per prestazioni ottimali della batteria.