Tra gli sforzi globali verso la neutralità del carbonio, le case automobilistiche di tutto il mondo sono attivamente impegnate nella ricerca e sviluppo per convertire i veicoli con motore a combustione interna in veicoli elettrici. Di conseguenza, la competizione per migliorare le prestazioni della batteria, che è il cuore dei veicoli elettrici, si sta intensificando. Dalla loro commercializzazione nel 1991, le batterie agli ioni di litio hanno detenuto una quota di mercato dominante nella maggior parte dei segmenti di mercato, dai piccoli elettrodomestici ai veicoli elettrici, grazie al continuo miglioramento della densità e dell'efficienza energetica. Tuttavia, alcuni fenomeni che si verificano all'interno di tali batterie non sono ancora ben compresi, come l'espansione e il deterioramento del materiale dell'anodo.

Il Korea Institute of Science and Technology ha annunciato che il suo team guidato dal Dr. Jae-Pyoung Ahn (Divisione risorse di ricerca) e dal Dr. Hong-Kyu Kim (Advanced Analysis and Data Center) è riuscito nell'osservazione in tempo reale dell'espansione e deterioramento del materiale dell'anodo all'interno delle batterie dovuto al movimento degli ioni di litio. La ricerca del team è pubblicata in ACS Energy Letters .

È generalmente noto che le prestazioni e la durata delle batterie agli ioni di litio sono influenzate da vari cambiamenti che si verificano nei materiali interni degli elettrodi durante i processi di carica e scarica. Tuttavia, è difficile monitorare tali cambiamenti durante il funzionamento perché i principali materiali della batteria, come elettrodi ed elettroliti, vengono contaminati istantaneamente se esposti all'aria. Pertanto, l'osservazione e l'analisi accurate dei cambiamenti strutturali nel materiale dell'elettrodo durante la migrazione degli ioni di litio sono il fattore più importante per migliorare le prestazioni e la sicurezza.

In una batteria agli ioni di litio, gli ioni di litio si spostano verso l'anodo durante la carica e si spostano verso il catodo durante la scarica. Il team di ricerca KIST è riuscito nell'osservazione in tempo reale di un anodo composito silicio-grafite, che è allo studio per il suo uso commerciale come batteria ad alta capacità. Teoricamente, la capacità di carica del silicio è 10 volte superiore a quella della grafite, un materiale anodico convenzionale. Tuttavia, il volume delle nanopolveri di silicio quadruplica durante il processo di carica, rendendo difficile garantire prestazioni e sicurezza. È stato ipotizzato che i nanopori formati durante la miscelazione dei costituenti dei compositi silicio-grafite possano accogliere l'espansione del volume del silicio durante la carica della batteria, modificando così il volume della batteria. Tuttavia, il ruolo di questi nanopori non è mai stato confermato dall'osservazione diretta con curve di tensione elettrochimiche.

Utilizzando una piattaforma di analisi della batteria autoprogettata, il team di ricerca KIST ha osservato direttamente la migrazione degli ioni di litio nell'anodo composito silicio-grafite durante la carica e ha identificato il ruolo pratico dei nanopori. È stato scoperto che gli ioni di litio migrano in sequenza nel carbonio, nei nanopori e nel silicio nel composito silicio-grafite. Inoltre, il team di ricerca ha notato che i pori di dimensioni nanometriche tendono a immagazzinare ioni di litio (litazione di riempimento preliminare) prima delle particelle di litio-silicio (litazione di Si), mentre i pori di dimensioni micro accolgono l'espansione del volume del silicio come si credeva in precedenza. Pertanto, il team di ricerca suggerisce che un nuovo approccio che distribuisca in modo appropriato i pori di dimensioni micro e nanometriche per alleviare l'espansione del volume del silicio, migliorando così la sicurezza del materiale, è necessario per la progettazione di materiali anodici ad alta capacità per il litio- batterie ioniche.

"Proprio come il James Webb Space Telescope annuncia una nuova era nell'esplorazione spaziale, la piattaforma di analisi delle batterie KIST apre nuovi orizzonti nella ricerca sui materiali consentendo l'osservazione dei cambiamenti strutturali nelle batterie elettriche", ha affermato il dott. Ahn, capo della divisione risorse di ricerca KIST . "Abbiamo in programma di continuare la ricerca aggiuntiva necessaria per guidare le innovazioni nella progettazione dei materiali delle batterie, osservando i cambiamenti strutturali nei materiali delle batterie che non sono influenzati dall'esposizione atmosferica", ha affermato. + Esplora ulteriormente

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