Le prime ore di vita di una batteria agli ioni di litio determinano in gran parte quanto bene funzionerà. In quei momenti, un insieme di molecole si autoassembla in una struttura all'interno della batteria che influenzerà la batteria per gli anni a venire.

Questo componente, nota come interfase solido-elettrolita o SEI, ha il compito cruciale di bloccare alcune particelle lasciando passare altre, come un buttafuori di una taverna che rifiuta gli indesiderabili lasciando entrare i glitterati. La struttura è stata un enigma per gli scienziati che l'hanno studiata per decenni. I ricercatori hanno sfruttato più tecniche per saperne di più, ma mai, fino ad ora, avevano assistito alla sua creazione a livello molecolare.

Conoscere di più sul SEI è un passo cruciale sulla strada per creare più energici, batterie agli ioni di litio più durature e più sicure.

Il lavoro pubblicato il 27 gennaio in Nanotecnologia della natura è stata eseguita da un team internazionale di scienziati guidati da ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dell'U.S. Army Research Laboratory. Gli autori corrispondenti includono Zihua Zhu, Chongmin Wang e Zhijie Xu del PNNL e Kang Xu del Laboratorio di ricerca dell'esercito americano.

Perché le batterie agli ioni di litio funzionano:SEI

L'interfase solido-elettrolita è una pellicola di materiale molto sottile che non esiste quando viene costruita una batteria per la prima volta. Solo quando la batteria viene caricata per la prima volta le molecole si aggregano e reagiscono elettrochimicamente per formare la struttura, che funge da gateway consentendo agli ioni di litio di passare avanti e indietro tra l'anodo e il catodo. In modo cruciale, il SEI costringe gli elettroni a fare una deviazione, che mantiene la batteria in funzione e rende possibile l'accumulo di energia.

È a causa del SEI che abbiamo batterie agli ioni di litio per alimentare i nostri telefoni cellulari, computer portatili e veicoli elettrici.

Ma gli scienziati devono saperne di più su questa struttura di gateway. Quali fattori separano i brillantini dalla gentaglia in una batteria agli ioni di litio? Quali sostanze chimiche devono essere incluse nell'elettrolita, e in quali concentrazioni, affinché le molecole si formino nelle strutture SEI più utili in modo che non assorbano continuamente molecole dall'elettrolita, danneggiare le prestazioni della batteria?

Gli scienziati lavorano con una varietà di ingredienti, prevedere come si uniranno per creare la struttura migliore. Ma senza ulteriori conoscenze su come viene creata l'interfase solido-elettrolita, gli scienziati sono come gli chef che manipolano gli ingredienti, lavorare con libri di cucina scritti solo in parte.

Esplorare le batterie agli ioni di litio con la nuova tecnologia

Per aiutare gli scienziati a comprendere meglio il SEI, il team ha utilizzato la tecnologia brevettata di PNNL per analizzare la struttura così come è stata creata. Gli scienziati hanno utilizzato un fascio di ioni energetico per creare un tunnel in un SEI appena formato in una batteria funzionante, inviando parte del materiale nell'aria e catturandolo per l'analisi facendo affidamento sulla tensione superficiale per aiutare a contenere l'elettrolita liquido. Quindi il team ha analizzato i componenti SEI utilizzando uno spettrometro di massa.

L'approccio brevettato, nota come spettrometria di massa di ioni secondari liquidi in situ o SIMS liquido, ha permesso al team di dare uno sguardo senza precedenti al SEI mentre si formava e di evitare i problemi presentati da una batteria agli ioni di litio funzionante. La tecnologia è stata creata da un team guidato da Zhu, basandosi sul precedente lavoro SIMS del collega PNNL Xiao-Ying Yu.

"La nostra tecnologia ci fornisce una solida comprensione scientifica dell'attività molecolare in questa struttura complessa, " ha detto Zhu. "I risultati potrebbero potenzialmente aiutare gli altri a personalizzare la chimica dell'elettrolita e degli elettrodi per creare batterie migliori".

Collaborano i ricercatori dell'esercito americano e del PNNL

Il team PNNL connesso con Kang Xu, un ricercatore presso l'U.S. Army Research Laboratory ed esperto di elettroliti e SEI, e insieme affrontarono la questione.

Gli scienziati hanno confermato ciò che i ricercatori sospettavano:che il SEI è composto da due strati. Ma la squadra è andata molto oltre, specificando la precisa composizione chimica di ogni strato e determinando i passaggi chimici che si verificano in una batteria per realizzare la struttura.

Il team ha scoperto che uno strato della struttura, accanto all'anodo, è sottile ma denso; questo è lo strato che respinge gli elettroni ma consente il passaggio degli ioni di litio. Lo strato esterno, proprio accanto all'elettrolita, è più denso e media le interazioni tra il liquido e il resto del SEI. Lo strato interno è un po' più duro e quello esterno più tardi è più liquido, un po' come la differenza tra farina d'avena poco cotta e troppo cotta.

Il ruolo del fluoruro di litio

Un risultato dello studio è una migliore comprensione del ruolo del fluoruro di litio nell'elettrolita utilizzato nelle batterie agli ioni di litio. Diversi ricercatori, compreso Kang Xu, hanno dimostrato che le batterie con SEI più ricche di fluoruro di litio hanno prestazioni migliori. Il team ha mostrato come il fluoruro di litio diventa parte dello strato interno del SEI, e i risultati offrono indizi su come incorporare più fluoro nella struttura.

"Con questa tecnica, impari non solo quali molecole sono presenti ma anche come sono strutturate, " Dice Wang. "Questa è la bellezza di questa tecnologia".