I ricercatori guidati da un team dell'Università della California a San Diego hanno pubblicato lavori sulla rivista Energia della natura questo spiega cosa sta causando la "dissolvenza di tensione" che riduce le prestazioni che attualmente affligge una promettente classe di materiali catodici chiamati ossidi stratificati NMC (nickel magnesio cobalto) ricchi di litio.

Questi materiali catodici hanno attirato una notevole attenzione nel corso degli anni come componenti promettenti per batterie ricaricabili migliori per veicoli elettrici.

Dopo che una batteria ha attraversato una serie di cicli di carica-scarica, la sua tensione diminuisce e la quantità di energia che può contenere, e rilasciare in seguito per l'uso, anche sbiadisce. La nuova ricerca spiega perché ciò accade nei materiali catodici NMC ricchi di litio. In particolare, i ricercatori hanno identificato difetti o dislocazioni su scala nanometrica nei materiali catodici NMC ricchi di litio mentre le batterie si caricavano a una gamma di tensioni che arrivavano fino a 4,7 volt.

"Le dislocazioni sono strati atomici extra che non si adattano alla struttura cristallina altrimenti perfettamente periodica, " ha detto Andrej Singer, l'autore principale che ha svolto questo lavoro come ricercatore post-dottorato presso l'UC San Diego. "Scoprire queste dislocazioni è stata una grande sorpresa:semmai, ci aspettavamo che gli strati atomici extra si presentassero con un orientamento completamente diverso, " ha detto il cantante, che ora è alla facoltà della Cornell University. Combinando le prove sperimentali con la teoria, il team di ricerca ha concluso che la nucleazione di questo specifico tipo di dislocazione provoca una diminuzione della tensione.

Conoscendo l'origine della dissolvenza di tensione, il team ha dimostrato che il trattamento termico dei materiali del catodo ha eliminato la maggior parte dei difetti e ripristinato la tensione originale. Hanno messo i catodi trattati termicamente in nuove batterie e li hanno testati a una gamma di tensioni che arrivavano fino a 4,7 volt, dimostrando che la tensione di dissolvenza era stata invertita.

Sebbene l'approccio del trattamento termico per invertire i difetti sia laborioso e non sia suscettibile di scalabilità, l'approccio basato sulla fisica e sulla scienza dei materiali per caratterizzare e quindi affrontare i difetti su scala nanometrica offre la promessa di trovare nuove soluzioni al problema della dissolvenza della tensione.

"Il nostro articolo tratta principalmente di svelare il mistero delle dislocazioni che causano la dissolvenza della tensione negli NMC ricchi di litio. Non abbiamo ancora una soluzione scalabile per risolvere il problema della dissolvenza della tensione negli NMC ricchi di litio, ma stiamo facendo progressi, ", ha affermato la professoressa di nanoingegneria della UC San Diego Shirley Meng. Lei e il professore di fisica della UC San Diego Oleg Shpyrko sono gli autori senior del nuovo Energia della natura carta.

"Uno dei problemi più seri per i materiali catodici NMC ricchi di litio è la dissolvenza della tensione, ", ha affermato l'autore dell'articolo Minghao Zhang, un neolaureato del dottorato di ricerca in nanoingegneria. programma presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering, dove è ora ricercatore post-dottorato.

La dissolvenza della tensione riduce la densità di energia della batteria, che a sua volta limita le applicazioni pratiche di questi materiali nonostante la loro elevata densità di energia nei cicli iniziali di carica-scarica.

"Il nostro lavoro per la prima volta dimostra chiaramente che la generazione di difetti e l'accumulo di difetti nella struttura dei materiali NMC ricchi di litio sono l'origine della dissolvenza di tensione, " disse Zhang. "Sulla base di questa spiegazione, abbiamo progettato un regime di trattamento termico e poi dimostrato che i trattamenti termici hanno rimosso i difetti nella struttura sfusa e ripristinato la tensione di uscita della batteria."

Individuazione dei dettagli della batteria

"Le soluzioni ingegneristiche devono essere basate su una scienza solida. Se non sai cosa sta succedendo, allora le tue strategie di mitigazione sono meno efficaci. E penso che questo sia ciò che ha ostacolato questo materiale, " ha detto Shirley Meng, professoressa di nanoingegneria dell'Università di San Diego, riferendosi alla mancanza di chiarezza di lunga data su ciò che sta accadendo su scala nanometrica che sta causando la diminuzione della tensione in questi promettenti materiali catodici.

Meng, Shpyrko e i rispettivi laboratori e collaboratori sono straordinariamente abili nell'imaging, caratterizzare e calcolare cosa sta succedendo alle batterie, su scala nanometrica, mentre sono in carica. La loro esperienza combinata consente al team di ottenere informazioni senza precedenti dai dati di imaging a raggi X delle batterie mentre sono in carica.

"Essere in grado di visualizzare direttamente la struttura di materiali e dispositivi in ​​condizioni operative e con risoluzione su scala nanometrica è una delle grandi sfide nella nostra ricerca di progettare e scoprire nuovi materiali funzionali, ", ha affermato il professore di fisica della UC San Diego Oleg Shpyrko. "Gli sforzi del nostro gruppo nello sviluppo di nuove tecniche di imaging a raggi X sono mirati alla comprensione fondamentale e, in definitiva, al controllo della formazione dei difetti. I nostri in operando studi di imaging indicano nuovi modi per mitigare la dissolvenza della tensione nei materiali di accumulo di energia di prossima generazione".

Questa collaborazione fa parte del lavoro interdisciplinare dell'UC San Diego Sustainable Power and Energy Center, dove Shirley Meng ricopre il ruolo di Direttore, e Oleg Shpyrko è il co-direttore. La ricerca presso il Centro per l'energia e l'energia sostenibile si estende dalla ricerca teorica agli esperimenti e alla caratterizzazione dei materiali fino ai test nel mondo reale dei dispositivi sulla microgrid del campus.

Dettagli della ricerca

Nel Energia della natura carta, scrivono gli autori:"Catturiamo direttamente la nucleazione di una rete di dislocazione in nanoparticelle primarie di un materiale LRLO ad alta capacità [un catodo NMC ricco di litio] durante la carica elettrochimica. Sulla base della scoperta della formazione di difetti e dei calcoli dei primi principi, identifichiamo l'origine della dissolvenza di tensione, permettendoci di progettare e dimostrare sperimentalmente un trattamento innovativo per ripristinare la tensione in LRLO."

Il sul posto tecnica di imaging diffrattivo coerente di Bragg, eseguita presso l'Argonne National Lab, consente ai ricercatori di visualizzare direttamente l'interno di una nanoparticella durante la carica della batteria. Le analisi e le ricostruzioni di questi dati da parte del team offrono informazioni senza precedenti su ciò che sta effettivamente accadendo mentre le batterie si stanno caricando. I ricercatori hanno eseguito una serie di studi osservazionali mentre i materiali della batteria si caricavano su una gamma di tensioni che andavano da 4 volt fino a 4,7 volt. A 4,4 volt, i ricercatori hanno identificato una serie di difetti tra cui bordo, dislocazioni a vite e miste.

I ricercatori hanno anche studiato i materiali NMC non ricchi di litio attualmente in commercio e hanno trovato difetti, ma significativamente meno; e non si sono verificati nuovi difetti superiori a 4,2 volt nei materiali NMC non ricchi di litio.

"Con questa pubblicazione, speriamo di aprire un nuovo paradigma per gli scienziati dei materiali per ripensare a come progettare e ottimizzare questa classe di materiali per lo stoccaggio di energia. Richiede ancora molto più lavoro e molti contributi dal campo per risolvere finalmente il problema, " ha affermato Meng. Detiene la cattedra Zable Endowed in Energy Technologies presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego.

In cerca di stato solido

La ricerca descritta nel Energia della natura la carta potrebbe eventualmente portare a nuovi materiali catodici per le batterie a stato solido. Molti ricercatori, compreso Meng, considerano le batterie a stato solido uno degli approcci futuri più promettenti per le batterie. catodi NMC ricchi di litio, Per esempio, funzionano ad alta tensione e quindi potrebbero eventualmente essere accoppiati con elettroliti allo stato solido, che funzionano anche ad alta tensione. Gran parte dell'interesse per le batterie allo stato solido deriva dal fatto che si ritiene che gli elettroliti allo stato solido siano più sicuri dei tradizionali elettroliti liquidi utilizzati nelle batterie ricaricabili agli ioni di litio.