Un gruppo di ricerca composto dal National Institute for Materials Science (NIMS) e SoftBank Corp. ha scoperto che l'isteresi di tensione in Li2 RuO3 —un materiale catodico di una batteria ricaricabile ad alta densità di energia — è causato da differenze nelle fasi cristalline intermedie formate durante i processi di carica e scarica. Lo studio è pubblicato in Energy Storage Materials .
L'isteresi di tensione è un fenomeno dannoso per le batterie agli ioni di litio (Li) in cui la tensione di scarica diventa significativamente inferiore alla tensione di carica. Questi risultati hanno rivelato un meccanismo che causa l'isteresi della tensione incoerente con la teoria convenzionale.
I materiali per elettrodi ricchi di litio sono in grado di immagazzinare quantità maggiori di ioni di litio rispetto ai materiali catodici convenzionali per batterie agli ioni di litio (ad es. LiCoO2 ) e gli ioni Li possono essere stabilmente estratti e inseriti in essi. Inoltre, la capacità energetica di questi materiali (> 300 mAh/g) è circa il doppio di quella dei materiali catodici convenzionali.
A causa di queste caratteristiche desiderabili, i materiali degli elettrodi ricchi di litio sono stati studiati come validi candidati per i materiali catodici delle batterie agli ioni di litio di prossima generazione ad alta densità di energia. Presentano però anche uno svantaggio:scarsa efficienza energetica di carica/scarica a causa dell'elevata isteresi di tensione che si verifica durante la carica e la scarica.
È stato ampiamente accettato dalla comunità scientifica che l'isteresi di tensione nei materiali degli elettrodi ricchi di litio deriva da cambiamenti irreversibili nelle loro strutture cristalline durante la carica e la scarica. Questo gruppo di ricerca si è concentrato su Li2 RuO3 come materiale per elettrodi modello ricco di litio e ho osservato da vicino i cambiamenti nella sua struttura cristallina mentre veniva caricato e scaricato.
Si è scoperto che la sua struttura cristallina cambia in modo reversibile, non irreversibile:recupera la sua struttura cristallina di precarica iniziale entro la fine della scarica successiva. Durante questo ciclo di carica/scarica, è stata osservata un'isteresi di tensione in Li2 RuO3 nonostante l'assenza di cambiamenti irreversibili della struttura cristallina, un risultato contrario alla teoria convenzionale.
Il team ha poi analizzato da vicino i cambiamenti della struttura cristallina in un Li2 RuO3 elettrodo mentre veniva caricato e scaricato utilizzando vari strumenti analitici avanzati. Queste analisi hanno rivelato una discrepanza nella fase cristallina intermedia formata durante i processi di carica e scarica causando l'isteresi di tensione. In altre parole, l'isteresi della tensione all'interno di un materiale elettrodico ricco di litio sembra essere attribuita a diversi percorsi di reazione piuttosto che a cambiamenti irreversibili della struttura cristallina.
Sulla base di questi risultati, il gruppo di ricerca prevede di valutare i materiali degli elettrodi ricchi di litio concentrandosi sui percorsi di reazione chimica durante i cicli di carica e scarica oltre a misurare l’isteresi della tensione. Si prevede che questo approccio accelererà lo sviluppo di materiali per elettrodi ricchi di litio in grado di soddisfare sia i requisiti di elevata capacità che quelli di elevata efficienza energetica di carica/scarica.
Ulteriori informazioni: Marcela Calpa et al, Isteresi di tensione nascosta in un percorso di reazione asimmetrico, Materiali per l'immagazzinamento dell'energia (2023). DOI:10.1016/j.ensm.2023.103051
Fornito dall'Istituto nazionale per la scienza dei materiali
