Batterie agli ioni di litio (LIB) che funzionano come fonti di alimentazione ad alte prestazioni per applicazioni rinnovabili, come i veicoli elettrici e l'elettronica di consumo, richiedono elettrodi che forniscano un'elevata densità di energia senza compromettere la durata delle celle.

Nel Journal of Vacuum Science and Technology A , i ricercatori studiano le origini della degradazione nei materiali catodici LIB ad alta densità di energia e sviluppano strategie per mitigare tali meccanismi di degradazione e migliorare le prestazioni LIB.

La loro ricerca potrebbe essere preziosa per molte applicazioni emergenti, in particolare i veicoli elettrici e l'accumulo di energia a livello di rete per le fonti di energia rinnovabile, come l'eolico e il solare.

"La maggior parte dei meccanismi di degradazione nei LIB si verificano sulle superfici degli elettrodi che sono in contatto con l'elettrolita, " ha detto l'autore Mark Hersam. "Abbiamo cercato di capire la chimica di queste superfici e quindi sviluppare strategie per ridurre al minimo il degrado".

I ricercatori hanno impiegato la caratterizzazione chimica superficiale come strategia per identificare e ridurre al minimo le impurità residue di idrossido e carbonato dalla sintesi di NCA (nichel, cobalto, alluminio) nanoparticelle. Si sono resi conto che le superfici del catodo LIB dovevano prima essere preparate mediante un'adeguata ricottura, un processo mediante il quale le nanoparticelle del catodo vengono riscaldate per rimuovere le impurità superficiali, e poi bloccato nelle strutture desiderabili con un rivestimento di grafene atomicamente sottile.

Le nanoparticelle NCA rivestite di grafene, che sono stati formulati in catodi LIB, ha mostrato proprietà elettrochimiche superlative, compresa la bassa impedenza, prestazioni ad alto tasso, alta energia volumetrica e densità di potenza, e lunghi cicli di vita. Il rivestimento in grafene fungeva anche da barriera tra la superficie dell'elettrodo e l'elettrolita, che ha ulteriormente migliorato la durata delle cellule.

Mentre i ricercatori pensavano che il solo rivestimento in grafene sarebbe stato sufficiente per migliorare le prestazioni, i loro risultati hanno rivelato l'importanza della pre-ricottura dei materiali catodici per ottimizzare la loro chimica superficiale prima dell'applicazione del rivestimento in grafene.

Mentre questo lavoro si è concentrato sui catodi LIB ricchi di nichel, la metodologia potrebbe essere generalizzata ad altri elettrodi di accumulo di energia, come le batterie agli ioni di sodio o di magnesio, che incorporano materiali nanostrutturati che possiedono un'area superficiale elevata. Di conseguenza, questo lavoro stabilisce un chiaro percorso in avanti per la realizzazione di alte prestazioni, dispositivi di accumulo di energia basati su nanoparticelle.

"Il nostro approccio può essere applicato anche per migliorare le prestazioni degli anodi nei LIB e le relative tecnologie di accumulo di energia, " disse Hersam. "Alla fine, è necessario ottimizzare sia l'anodo che il catodo per ottenere le migliori prestazioni possibili della batteria."