Gli scienziati dei materiali che studiano i fondamenti della ricarica hanno fatto una scoperta sorprendente che potrebbe aprire la porta a batterie migliori, catalizzatori più veloci e altri passi avanti nella scienza dei materiali.

Scienziati dell'Università della California di San Diego e dell'Idaho National Laboratory hanno esaminato le prime fasi della ricarica del litio e hanno appreso che lenta, la carica a bassa energia fa sì che gli elettrodi raccolgano gli atomi in modo disorganizzato che migliora il comportamento di carica. Questo litio "vetroso" non cristallino non era mai stato osservato, e la creazione di tali metalli amorfi è stata tradizionalmente estremamente difficile.

I risultati suggeriscono strategie per mettere a punto gli approcci di ricarica per aumentare la durata della batteria e, cosa più intrigante, per produrre metalli vetrosi per altre applicazioni. Lo studio è stato pubblicato il 27 luglio in Materiali della natura .

Ricarica conosciuta, sconosciuti

Il litio metallico è un anodo preferito per le batterie ricaricabili ad alta energia. Eppure il processo di ricarica (deposizione di atomi di litio sulla superficie dell'anodo) non è ben compreso a livello atomico. Il modo in cui gli atomi di litio si depositano sull'anodo può variare da un ciclo di ricarica all'altro, portando a una ricarica irregolare e a una durata ridotta della batteria.

Il team dell'INL/UC di San Diego si è chiesto se i modelli di ricarica fossero influenzati dalla prima congregazione dei primi atomi, un processo noto come nucleazione.

"Quella nucleazione iniziale può influire sulle prestazioni della batteria, sicurezza e affidabilità, " disse Gorakh Pawar, uno scienziato dello staff dell'INL e uno dei due autori principali dell'articolo.

Guardare la formazione di embrioni di litio

I ricercatori hanno combinato immagini e analisi di un potente microscopio elettronico con il raffreddamento ad azoto liquido e la modellazione al computer. La microscopia elettronica a criostato ha permesso loro di vedere la creazione di "embrioni" di litio metallico, " e le simulazioni al computer hanno aiutato a spiegare ciò che hanno visto.

In particolare, hanno scoperto che determinate condizioni creavano una forma meno strutturata di litio che era amorfa (come il vetro) piuttosto che cristallina (come il diamante).

"Il potere dell'imaging criogenico per scoprire nuovi fenomeni nella scienza dei materiali è mostrato in questo lavoro, " ha detto Shirley Meng, autore corrispondente e ricercatore che ha guidato il lavoro pionieristico di crio-microscopia della UC San Diego. Meng è un professore di Nanoingegneria, e Direttore del Centro per l'energia e l'energia sostenibile della UC San Diego, e l'Istituto per la scoperta e il design dei materiali. I dati di imaging e spettroscopici sono spesso complicati, lei disse. "Il vero lavoro di squadra ci ha permesso di interpretare i dati sperimentali con sicurezza perché la modellazione computazionale ha aiutato a decifrare la complessità".

Una sorpresa vitrea

I metalli elementari amorfi puri non erano mai stati osservati prima d'ora. Sono estremamente difficili da produrre, quindi le miscele metalliche (leghe) sono in genere necessarie per ottenere una configurazione "vetrosa", che conferisce potenti proprietà del materiale.

Durante la ricarica, gli embrioni vetrosi di litio avevano maggiori probabilità di rimanere amorfi durante la crescita. Studiando quali condizioni favorissero la nucleazione vetrosa, la squadra è stata sorpresa di nuovo.

"Possiamo produrre metallo amorfo in condizioni molto miti a una velocità di ricarica molto lenta, " ha detto Boryann Liaw, un borsista della direzione dell'INL e un capo dell'INL sul lavoro. "È abbastanza sorprendente."

Questo risultato era controintuitivo perché gli esperti presumevano che i bassi tassi di deposizione avrebbero permesso agli atomi di trovare la loro strada in un ordine ordinato, litio cristallino. Eppure il lavoro di modellazione ha spiegato come la cinetica di reazione guida la formazione vetrosa. Il team ha confermato questi risultati creando forme vetrose di altri quattro metalli reattivi che sono attraenti per le applicazioni delle batterie.

I risultati della ricerca potrebbero aiutare a raggiungere gli obiettivi del consorzio Battery500, un'iniziativa del Dipartimento dell'Energia che ha finanziato la ricerca. Il consorzio mira a sviluppare batterie per veicoli elettrici commercialmente valide con un'energia specifica a livello di cella di 500 Wh/kg. Più, questa nuova comprensione potrebbe portare a catalizzatori metallici più efficaci, rivestimenti metallici più resistenti e altre applicazioni che potrebbero trarre vantaggio dai metalli vetrosi.