Le immagini prodotte dalla microscopia elettronica a trasmissione hanno verificato la trasformazione del materiale dell'elettrodo da una disposizione disordinata di atomi (a sinistra) a una struttura cristallina ordinata (a destra). Credito:Laboratorio Nazionale Argonne
La carica e la scarica di una cella della batteria trasforma il materiale dell'elettrodo in un materiale "super".
Nell'ultimo decennio, i progressi nella ricerca e nello sviluppo hanno portato a batterie agli ioni di litio più efficienti. Tuttavia, permangono notevoli carenze. Una sfida è la necessità di una ricarica più rapida, che può aiutare a velocizzare l'adozione dei veicoli elettrici.
Un gruppo di ricerca guidato dalla Boise State University e dall'Università della California di San Diego ha adottato un approccio non convenzionale a questo problema. Utilizzando le risorse dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), hanno creato un materiale ad alte prestazioni per gli elettrodi delle batterie. Il composto, il pentossido di niobio, ha una nuova struttura cristallina. Promette di accelerare la ricarica fornendo allo stesso tempo un'eccellente capacità di archiviazione.
Lo studio del team è stato pubblicato su Nature Materials a maggio 2022.
Durante la carica, gli ioni di litio si spostano dall'elettrodo positivo (catodo) all'elettrodo negativo (anodo), comunemente fatto di grafite. A velocità di carica più elevate, il litio metallico tende ad accumularsi sulla superficie della grafite. Questo effetto, noto come placcatura, tende a degradare le prestazioni e può causare il cortocircuito, il surriscaldamento e l'incendio delle batterie.
Il pentossido di niobio è molto meno suscettibile alla placcatura, rendendolo potenzialmente più sicuro e più durevole della grafite. Inoltre, i suoi atomi possono disporre in molte diverse configurazioni stabili che non richiedono molta energia per essere riconfigurate. Ciò offre ai ricercatori l'opportunità di scoprire nuove strutture che potrebbero migliorare le prestazioni della batteria.
Per questo studio, i ricercatori hanno costruito una cella a bottone con pentossido di niobio come materiale dell'elettrodo. (Una pila a bottone, nota anche come pila a bottone, è un piccolo dispositivo a batteria di forma circolare.) Il pentossido di niobio aveva una struttura amorfa, in altre parole, una disposizione disordinata di atomi. Quando la cellula è stata caricata e scaricata numerose volte, la struttura disordinata si è trasformata in una struttura ordinata, cristallina. Questa particolare struttura non era mai stata segnalata in precedenza nella letteratura scientifica.
Rispetto alla disposizione disordinata, la struttura cristallina ha consentito un trasporto più facile e veloce degli ioni di litio nell'anodo durante la carica. Questa scoperta indica la promessa del materiale di una ricarica rapida e altre misurazioni suggeriscono che può immagazzinare una grande quantità di carica.
Argonne fornisce diversi strumenti complementari
A causa dei complessi cambiamenti durante il ciclo di carica-scarica, sono stati necessari diversi strumenti diagnostici complementari per una comprensione completa. È qui che sono entrati in gioco Argonne e un paio di strutture per utenti del DOE Office of Science presso il laboratorio.
Yuzi Liu, uno scienziato del Center for Nanoscale Materials (CNM) dell'Argonne, ha utilizzato una tecnica chiamata microscopia elettronica a trasmissione per verificare la trasformazione strutturale da amorfa a cristallina. Questa tecnica invia fasci di elettroni ad alta energia attraverso un campione di materiale. Crea immagini digitali basate sull'interazione degli elettroni con il campione. Le immagini mostrano come sono disposti gli atomi.
"Poiché il fascio di elettroni è focalizzato su una piccola area del campione, la tecnica fornisce informazioni dettagliate su quella particolare area", ha affermato Liu.
Hua Zhou, un fisico dell'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, ha confermato il cambiamento strutturale con un'altra tecnica nota come diffrazione dei raggi X di sincrotrone. Ciò comporta il colpire il campione con fasci di raggi X ad alta energia, che sono dispersi dagli elettroni degli atomi nel materiale. Un rivelatore misura questa dispersione per caratterizzare la struttura del materiale.
La diffrazione dei raggi X è efficace per fornire informazioni sui cambiamenti strutturali complessivi su un intero campione di materiale. Questo può essere utile nello studio dei materiali degli elettrodi delle batterie perché le loro strutture tendono a variare da un'area all'altra.
"Colpendo il materiale dell'anodo con fasci di raggi X a diverse angolazioni, ho confermato che era uniformemente cristallino lungo la superficie e all'interno", ha affermato Zhou.
La ricerca ha attinto anche ad altre capacità di Argonne per la caratterizzazione dei materiali. Justin Connell, uno scienziato dei materiali nell'Electrochemical Discovery Laboratory di Argonne, ha utilizzato uno strumento chiamato spettroscopia fotoelettronica a raggi X per valutare il materiale dell'anodo. Connell ha sparato raggi X nell'anodo, espellendo gli elettroni da esso con una certa energia.
"La tecnica ha rivelato che gli atomi di niobio guadagnano più elettroni quando la cellula viene caricata", ha detto Connell. "Questo suggerisce che l'anodo ha un'elevata capacità di archiviazione."
Il fisico Argonne Sungsik Lee ha anche valutato il guadagno e la perdita di elettroni del niobio. Ha usato un'altra tecnica chiamata spettroscopia di assorbimento dei raggi X. Ciò ha comportato colpire il materiale dell'anodo con intensi fasci di raggi X di sincrotrone e misurare la trasmissione e l'assorbimento dei raggi X nel materiale.
"La tecnica ha fornito un quadro generale dello stato degli elettroni nell'intero anodo", ha affermato Lee. "Questo ha confermato che il niobio guadagna più elettroni."
Argonne è insolito in quanto ha tutte queste capacità di ricerca nel suo campus. Claire Xiong, la ricercatrice principale dello studio, ha svolto la sua ricerca post-dottorato presso il CNM di Argonne prima di entrare a far parte della facoltà di Boise State come scienziata dei materiali. Conosceva abbastanza le vaste capacità di Argonne e aveva precedentemente collaborato con gli scienziati Argonne che hanno contribuito allo studio.
"Le strutture e il personale di Argonne sono di prim'ordine", ha affermato Xiong. "Questo lavoro per scoprire la trasformazione unica nel pentossido di niobio ha beneficiato enormemente della collaborazione con gli scienziati Argonne. Ha anche beneficiato dell'accesso all'APS, all'Electrochemical Discovery Laboratory e al CNM."
È molto difficile produrre il pentossido di niobio cristallino ad alte prestazioni con i metodi di sintesi tradizionali, come quelli che sottopongono i materiali a calore e pressione. L'approccio di sintesi non convenzionale utilizzato con successo in questo studio, caricare e scaricare una cella di batteria, potrebbe essere applicato per realizzare altri materiali innovativi per batterie. Potrebbe anche supportare la fabbricazione di nuovi materiali in altri campi, come semiconduttori e catalizzatori. + Esplora ulteriormente
