Le particelle che compongono gli elettrodi della batteria agli ioni di litio sono microscopiche ma potenti:determinano la quantità di carica che la batteria può immagazzinare, quanto velocemente si carica e scarica e come regge nel tempo, tutto cruciale per le alte prestazioni in un veicolo elettrico o in un dispositivo elettronico.

Le crepe e le reazioni chimiche sulla superficie di una particella possono degradare le prestazioni, e anche la capacità dell'intera particella di assorbire e rilasciare ioni di litio cambia nel tempo. Gli scienziati hanno studiato entrambi, ma fino ad ora non avevano mai guardato sia la superficie che l'interno di una singola particella per vedere come ciò che accade nell'una influenza l'altra.

In un nuovo studio, lo ha fatto un gruppo di ricerca guidato da Yijin Liu presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia. Hanno bloccato una singola particella del catodo della batteria, delle dimensioni di un globulo rosso, sulla punta di un ago e ne ha sondato la superficie e l'interno in 3-D con due strumenti a raggi X. Hanno scoperto che le fessurazioni e i cambiamenti chimici sulla superficie della particella variavano molto da un luogo all'altro e corrispondevano ad aree di fessurazioni microscopiche profonde all'interno della particella che indebolivano la sua capacità di immagazzinare energia.

"I nostri risultati mostrano che la superficie e l'interno di una particella parlano tra loro, fondamentalmente, ", ha affermato lo scienziato capo dello SLAC Yijin Liu, che ha condotto lo studio presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) del laboratorio. "Capire questa conversazione chimica ci aiuterà a progettare l'intera particella in modo che la batteria possa funzionare più velocemente, ad esempio."

Gli scienziati descrivono le loro scoperte in Comunicazioni sulla natura oggi.

Danni sia all'interno che all'esterno

Una batteria agli ioni di litio immagazzina e rilascia energia spostando gli ioni di litio attraverso un elettrolita avanti e indietro tra due elettrodi, l'anodo e il catodo. Quando si carica la batteria, gli ioni di litio si precipitano nell'anodo per la conservazione. Quando usi la batteria, gli ioni lasciano l'anodo e fluiscono nel catodo, dove generano un flusso di corrente elettrica.

Ogni elettrodo è costituito da molte particelle microscopiche, e ogni particella contiene grani ancora più piccoli. La loro struttura e chimica sono fondamentali per le prestazioni della batteria. Quando la batteria si carica e si scarica, gli ioni di litio penetrano dentro e fuori dagli spazi tra gli atomi delle particelle, facendoli gonfiare e restringere. Nel tempo questo può rompere e rompere le particelle, riducendo la loro capacità di assorbire e rilasciare ioni. Le particelle reagiscono anche con l'elettrolita circostante per formare uno strato superficiale che ostacola l'ingresso e l'uscita degli ioni. Man mano che le crepe si sviluppano, l'elettrolita penetra più in profondità danneggiando l'interno.

Questo studio si è concentrato su particelle costituite da un ossido stratificato ricco di nichel, che in teoria può immagazzinare più carica rispetto ai materiali delle batterie di oggi. Contiene anche meno cobalto, rendendolo più economico e meno problematico eticamente, poiché alcune miniere di cobalto comportano condizioni disumane, ha detto Liu.

C'è solo un problema:la capacità delle particelle di immagazzinare la carica diminuisce rapidamente durante più cicli di carica ad alta tensione, il tipo utilizzato per caricare rapidamente i veicoli elettrici.

"Hai milioni di particelle in un elettrodo. Ognuna è come una palla di riso con molti chicchi, " Liu ha detto. "Sono gli elementi costitutivi della batteria, e ognuno è unico, proprio come ogni persona ha caratteristiche diverse".

Domare un materiale di nuova generazione

Liu ha affermato che gli scienziati hanno lavorato su due approcci di base per ridurre al minimo i danni e aumentare le prestazioni delle particelle:applicare un rivestimento protettivo sulla superficie e impacchettare i grani in modi diversi per modificare la struttura interna. "Entrambi gli approcci potrebbero essere efficaci, "Liu ha detto, "ma combinarli sarebbe ancora più efficace, ed è per questo che dobbiamo affrontare il quadro più ampio".

Shaofeng Li, uno studente laureato in visita presso SSRL che entrerà a far parte dello SLAC come ricercatore post-dottorato, ha condotto esperimenti a raggi X che hanno esaminato una singola particella catodica montata su un ago da una batteria carica con due strumenti:uno che scansiona la superficie, l'altro sondando l'interno. In base ai risultati, teorici guidati da Kejie Zhao, professore associato alla Purdue University, ha sviluppato un modello al computer che mostra come la carica avrebbe danneggiato la particella per un periodo di 12 minuti e come quel modello di danno riflette le interazioni tra la superficie e l'interno.

"L'immagine che stiamo ottenendo è che ci sono variazioni ovunque nella particella, " Liu ha detto. "Per esempio, alcune zone della superficie si degradano più di altre, e questo influenza il modo in cui l'interno risponde, che a sua volta fa degradare la superficie in modo diverso."

Ora, Egli ha detto, il team prevede di applicare questa tecnica ad altri materiali per elettrodi che hanno studiato in passato, con particolare attenzione a come la velocità di carica influenza i modelli di danno. "Vuoi poter caricare la tua auto elettrica in 10 minuti anziché in diverse ore, " Egli ha detto, "quindi questa è una direzione importante per gli studi di follow-up".