Poiché la domanda di smartphone, veicoli elettrici, e le energie rinnovabili continuano a crescere, gli scienziati stanno cercando modi per migliorare le batterie agli ioni di litio, il tipo più comune di batteria trovato nell'elettronica domestica e una soluzione promettente per l'accumulo di energia su scala di rete. L'aumento della densità energetica delle batterie agli ioni di litio potrebbe facilitare lo sviluppo di tecnologie avanzate con batterie a lunga durata, così come l'uso diffuso di energia eolica e solare. Ora, i ricercatori hanno compiuto progressi significativi verso il raggiungimento di tale obiettivo.

Una collaborazione guidata da scienziati dell'Università del Maryland (UMD), il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), e il laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti hanno sviluppato e studiato un nuovo materiale catodico che potrebbe triplicare la densità di energia degli elettrodi delle batterie agli ioni di litio. La loro ricerca è stata pubblicata il 13 giugno in Comunicazioni sulla natura .

"Le batterie agli ioni di litio sono costituite da un anodo e un catodo, " ha detto Xiulin Fan, uno scienziato all'UMD e uno degli autori principali dell'articolo. "Rispetto alla grande capacità degli anodi di grafite commerciali utilizzati nelle batterie agli ioni di litio, la capacità dei catodi è molto più limitata. I materiali catodici sono sempre il collo di bottiglia per migliorare ulteriormente la densità energetica delle batterie agli ioni di litio".

Gli scienziati dell'UMD hanno sintetizzato un nuovo materiale catodico, una forma modificata e ingegnerizzata di trifluoruro di ferro (FeF3), che è composto da elementi economici e rispettosi dell'ambiente:ferro e fluoro. I ricercatori si sono interessati all'utilizzo di composti chimici come il FeF3 nelle batterie agli ioni di litio perché offrono capacità intrinsecamente più elevate rispetto ai materiali catodici tradizionali.

"I materiali normalmente utilizzati nelle batterie agli ioni di litio si basano sulla chimica dell'intercalazione, " ha detto Enyuan Hu, un chimico a Brookhaven e uno degli autori principali dell'articolo. "Questo tipo di reazione chimica è molto efficiente; tuttavia, trasferisce solo un singolo elettrone, quindi la capacità del catodo è limitata. Alcuni composti come FeF3 sono in grado di trasferire più elettroni attraverso un meccanismo di reazione più complesso, chiamata reazione di conversione".

Nonostante il potenziale di FeF3 di aumentare la capacità del catodo, il composto non ha funzionato storicamente bene nelle batterie agli ioni di litio a causa di tre complicazioni con la sua reazione di conversione:scarsa efficienza energetica (isteresi), una velocità di reazione lenta, e reazioni collaterali che possono causare una cattiva vita in bicicletta. Per superare queste sfide, gli scienziati hanno aggiunto atomi di cobalto e ossigeno ai nanotubi di FeF3 attraverso un processo chiamato sostituzione chimica. Ciò ha permesso agli scienziati di manipolare il percorso di reazione e renderlo più "reversibile".

"Quando gli ioni di litio vengono inseriti in FeF3, il materiale viene convertito in ferro e fluoruro di litio, " ha detto Sooyeon Hwang, un coautore dell'articolo e uno scienziato presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven. "Però, la reazione non è completamente reversibile. Dopo aver sostituito con cobalto e ossigeno, la struttura principale del materiale del catodo viene mantenuta meglio e la reazione diventa più reversibile."

Per studiare la via di reazione, gli scienziati hanno condotto molteplici esperimenti al CFN e alla National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), due strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven.

Prima al CFN, i ricercatori hanno utilizzato un potente fascio di elettroni per osservare i nanotubi di FeF3 con una risoluzione di 0,1 nanometri, una tecnica chiamata microscopia elettronica a trasmissione (TEM). L'esperimento TEM ha consentito ai ricercatori di determinare la dimensione esatta delle nanoparticelle nella struttura del catodo e di analizzare come la struttura è cambiata tra le diverse fasi del processo di carica-scarica. Hanno visto una maggiore velocità di reazione per le nanobarre sostituite.

"TEM è un potente strumento per caratterizzare i materiali su scale di lunghezza molto piccole, ed è anche in grado di indagare il processo di reazione in tempo reale, " ha detto Dong Su, uno scienziato al CFN e un autore corrispondente dello studio. "Però, possiamo vedere solo un'area molto limitata del campione usando TEM. Avevamo bisogno di fare affidamento sulle tecniche di sincrotrone di NSLS-II per capire come funziona l'intera batteria".

Alla linea di luce X-ray Powder Diffraction (XPD) di NSLS-II, gli scienziati hanno diretto raggi X ultra luminosi attraverso il materiale del catodo. Analizzando come la luce si è diffusa, gli scienziati potrebbero "vedere" ulteriori informazioni sulla struttura del materiale.

"A XPD, abbiamo condotto misurazioni della funzione di distribuzione delle coppie (PDF), che sono in grado di rilevare gli ordini di ferro locali su un grande volume, " ha detto Jianming Bai, un coautore del documento e uno scienziato presso NSLS-II. "L'analisi PDF sui catodi scaricati ha rivelato chiaramente che la sostituzione chimica promuove la reversibilità elettrochimica".

La combinazione di tecniche di imaging e microscopia altamente avanzate presso CFN e NSLS-II è stato un passaggio fondamentale per valutare la funzionalità del materiale del catodo.

"Abbiamo anche eseguito approcci computazionali avanzati basati sulla teoria del funzionale della densità per decifrare il meccanismo di reazione su scala atomica, " disse Xiao Ji, uno scienziato all'UMD e coautore dell'articolo. "Questo approccio ha rivelato che la sostituzione chimica ha spostato la reazione a uno stato altamente reversibile riducendo la dimensione delle particelle di ferro e stabilizzando la fase di salgemma." Gli scienziati dell'UMD affermano che questa strategia di ricerca potrebbe essere applicata ad altri materiali di conversione ad alta energia, e studi futuri potrebbero utilizzare l'approccio per migliorare altri sistemi di batterie.