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Le batterie ricaricabili agli ioni di litio non durano per sempre:dopo un numero sufficiente di cicli di carica e ricarica, alla fine diventeranno kaput, quindi i ricercatori sono costantemente alla ricerca di modi per spremere un po' più di vita dai loro progetti di batterie.
Ora, i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e i colleghi della Purdue University, Virginia Tech e dell'European Synchrotron Radiation Facility, hanno scoperto che i fattori alla base del decadimento della batteria cambiano effettivamente nel tempo. All'inizio, il decadimento sembra essere determinato dalle proprietà delle singole particelle degli elettrodi, ma dopo diverse dozzine di cicli di carica, è il modo in cui queste particelle vengono assemblate che conta di più.
"Gli elementi costitutivi fondamentali sono queste particelle che costituiscono l'elettrodo della batteria, ma quando si rimpicciolisce, queste particelle interagiscono tra loro", ha affermato lo scienziato dello SLAC Yijin Liu, ricercatore presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource del laboratorio e autore senior del nuova carta. Pertanto, "se vuoi costruire una batteria migliore, devi guardare come mettere insieme le particelle".
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Il nuovo studio, pubblicato il 29 aprile su Scienza , si basa su ricerche passate in cui Liu e colleghi hanno utilizzato tecniche di visione artificiale per studiare come le singole particelle che compongono un elettrodo a batteria ricaricabile si rompono nel tempo. L'obiettivo questa volta era quello di studiare non solo le singole particelle, ma anche i modi in cui lavorano insieme per prolungare o degradare la durata della batteria.
Keije Zhao, un professore di ingegneria meccanica di Purdue che con Liu e il professore di chimica della Virginia Tech Feng Lin era un autore senior, ha paragonato il problema alle persone che lavorano in gruppo. "Le particelle della batteria sono come le persone:iniziamo tutti per la nostra strada", ha detto Zhao, "Ma alla fine incontriamo altre persone e finiamo in gruppi, andando nella stessa direzione. Per comprendere la massima efficienza, dobbiamo studiare entrambi il comportamento individuale delle particelle e come queste particelle si comportano in gruppo."
Per esplorare questa idea, i co-primi autori Jizhou Li, un borsista post-dottorato della SSRL, e Nikhil Sharma, uno studente laureato di Purdue, hanno collaborato con Liu, Lin e Zhao e altri colleghi per studiare i catodi delle batterie con i raggi X. Hanno usato la tomografia a raggi X per ricostruire le immagini tridimensionali dei catodi dopo che avevano attraversato 10 o 50 cicli di carica. Hanno tagliato quelle immagini 3D in una serie di sezioni 2D e hanno utilizzato metodi di visione artificiale per identificare le particelle.
La durata di una batteria
Alla fine, hanno identificato più di 2.000 singole particelle, per le quali hanno calcolato non solo le caratteristiche delle singole particelle come dimensioni, forma e rugosità superficiale, ma anche tratti più globali, come la frequenza con cui le particelle sono entrate in contatto diretto tra loro e quanto variassero le forme delle particelle erano.
Successivamente, hanno esaminato il modo in cui ciascuna di queste proprietà ha contribuito alla rottura delle particelle ed è emerso uno schema sorprendente. Dopo 10 cicli di carica, i fattori più importanti erano le proprietà delle singole particelle, compreso il grado di sfericità delle particelle e il rapporto tra il volume delle particelle e la superficie. Dopo 50 cicli, tuttavia, gli attributi di coppia e di gruppo, come la distanza tra due particelle, la varietà delle loro forme e se le particelle più allungate a forma di pallone da calcio erano orientate in modo simile, hanno provocato la rottura delle particelle.
"Non è più solo la particella stessa. Sono le interazioni particella-particella" che contano, ha detto Liu. Questo è importante, ha detto, perché significa che i produttori potrebbero sviluppare tecniche per controllare tali proprietà. Ad esempio, potrebbero essere in grado di utilizzare campi magnetici o elettrici per allineare le particelle allungate tra loro, il che suggerisce i nuovi risultati comporterebbe una maggiore durata della batteria.
E, ha affermato Feng Lin, coautore senior e chimico della Virginia Tech, i risultati potrebbero essere applicati oltre i dettagli della presente ricerca. "Questo studio fa davvero luce su come possiamo progettare e produrre elettrodi per batterie per ottenere un lungo ciclo di vita per le batterie", ha affermato Lin. "Siamo entusiasti di implementare la comprensione delle batterie di prossima generazione, a basso costo e a ricarica rapida". + Esplora ulteriormente
