Le batterie vengono solitamente studiate in base alle proprietà elettriche come tensione e corrente, ma una nuova ricerca suggerisce che osservare il modo in cui il calore fluisce insieme all'elettricità può fornire importanti informazioni sulla chimica delle batterie.
Un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ha dimostrato come studiare le proprietà chimiche delle celle delle batterie agli ioni di litio sfruttando l'effetto Peltier, in cui la corrente elettrica fa sì che un sistema assorba calore. Riportato nella rivista Chimica Fisica Chimica Fisica , questa tecnica ha permesso loro di misurare sperimentalmente l'entropia dell'elettrolita agli ioni di litio, una caratteristica termodinamica che potrebbe influenzare direttamente la progettazione della batteria agli ioni di litio.
"Il nostro lavoro riguarda la comprensione della termodinamica fondamentale degli ioni di litio disciolti, informazioni che speriamo possano guidare lo sviluppo di elettroliti migliori per le batterie", ha affermato David Cahill, professore di scienza e ingegneria dei materiali dell'Università di I. e responsabile del progetto. "Misurare il trasporto accoppiato di carica elettrica e calore nell'effetto Peltier ci permette di dedurre l'entropia, una quantità che è strettamente correlata alla struttura chimica degli ioni disciolti e al modo in cui interagiscono con altre parti della batteria."
L'effetto Peltier è ben studiato nei sistemi a stato solido dove viene utilizzato nel raffreddamento e nella refrigerazione. Tuttavia, rimane in gran parte inesplorato nei sistemi ionici come l'elettrolita di litio. Il motivo è che le differenze di temperatura create dal riscaldamento e dal raffreddamento Peltier sono piccole rispetto ad altri effetti.
Per superare questa barriera, i ricercatori hanno utilizzato un sistema di misurazione in grado di risolvere il centomillesimo di grado Celsius. Ciò ha permesso ai ricercatori di misurare il calore tra le due estremità della cella e di utilizzarlo per calcolare l'entropia dell'elettrolita agli ioni di litio nella cella.
"Stiamo misurando una proprietà macroscopica, ma rivela comunque importanti informazioni sul comportamento microscopico degli ioni", ha detto Rosy Huang, una studentessa laureata del gruppo di ricerca di Cahill e co-autrice principale dello studio. "Le misurazioni dell'effetto Peltier e dell'entropia della soluzione sono strettamente collegate alla struttura di solvatazione. In precedenza, i ricercatori sulle batterie si affidavano alle misurazioni dell'energia, ma l'entropia fornirebbe un importante complemento a tali informazioni che forniscono un quadro più completo del sistema."
I ricercatori hanno esplorato come il flusso di calore Peltier cambiava con la concentrazione di ioni di litio, il tipo di solvente, il materiale dell'elettrodo e la temperatura. In tutti i casi, hanno osservato che il flusso di calore correva in senso opposto alla corrente ionica nella soluzione, il che implica che l'entropia derivante dalla dissoluzione degli ioni di litio è inferiore all'entropia del litio solido.
La capacità di misurare l'entropia delle soluzioni elettrolitiche agli ioni di litio può fornire importanti informazioni sulla mobilità degli ioni, sulla regolazione del ciclo di ricarica della batteria e su come la soluzione interagisce con gli elettrodi, un fattore importante per la durata della batteria.
"Un aspetto sottovalutato della progettazione della batteria è che l'elettrolita liquido non è chimicamente stabile quando entra in contatto con gli elettrodi", ha affermato Cahill. "Si decompone sempre e forma qualcosa chiamata interfase elettrolita solido. Per rendere una batteria stabile per cicli lunghi, è necessario comprendere la termodinamica di tale interfase, ed è ciò che il nostro metodo aiuta a fare."
Zhe Cheng è il secondo co-autore principale dello studio. Hanno contribuito a questo lavoro anche Beniamin Zahiri, Patrick Kwon e il professore di scienza dei materiali e ingegneria dell'Università di I. Paul Braun.
Ulteriori informazioni: Zhe Cheng et al, Effetto Peltier ionico negli elettroliti agli ioni di litio, Chimica fisica, Fisica chimica (2024). DOI:10.1039/D3CP05998G
Informazioni sul giornale: Chimica Fisica Fisica Chimica
Fornito dall'Università dell'Illinois Grainger College of Engineering
