Figura che delinea le caratteristiche strutturali e morfologiche dei due ossifluoruri sintetizzati dai ricercatori. Credito:Ji et al.
Negli ultimi anni, le batterie a base di litio sono diventate ampiamente utilizzate per alimentare una vasta gamma di dispositivi elettronici, compresi i tablet, smartphone e computer portatili. Queste batterie hanno diversi scomparti, chiamate cellule, ognuno dei quali contiene un elettrodo positivo e un elettrodo negativo separati da una sostanza chimica nota come elettrolita.
Gli elettrodi positivi sono generalmente composti da composti di litio, come LiCoO 2 o LiFePO 4 , mentre gli elettrodi negativi sono solitamente realizzati in carbonio. L'elettrolita che li separa, d'altra parte, può essere costituito da una varietà di sostanze chimiche.
Alla luce della rapida crescita dell'uso delle batterie agli ioni di litio, i ricercatori di tutto il mondo hanno cercato di identificare i materiali che potrebbero aumentarne l'efficienza e le prestazioni. Idealmente, questi materiali dovrebbero contenere elementi che sono abbondanti sul pianeta e hanno un'alta densità di energia.
I ricercatori dell'Università della California Berkeley e del laboratorio nazionale Lawrence Berkeley hanno recentemente introdotto una nuova strategia per la progettazione di materiali per elettrodi per batterie a base di litio con una potenza e una densità di energia notevolmente elevate. Questa strategia, delineato in un articolo pubblicato su Energia della natura , comporta l'uso di due ossifluoruri sfusi con un ordine parziale simile a spinello, vale a dire Li 1.68 mn 1.6 oh 3.7 F 0,3 e Li 1.68 mn 1.6 oh 3.4 F 0.6 . I ricercatori hanno sintetizzato questi due ossifluoruri utilizzando una tecnica nota come lega meccanochimica.
"Mostriamo che la combinazione di un ordine cationico parziale simile allo spinello e un sostanziale eccesso di litio consente uno stoccaggio di energia sia denso che veloce, " hanno scritto i ricercatori nel loro articolo. "La sovrastechiometria dei cationi e l'ordine parziale risultante viene utilizzato per eliminare le transizioni di fase tipiche degli spinelli ordinati e consentire una maggiore capacità pratica, mentre l'eccesso di litio viene utilizzato sinergicamente con la sostituzione del fluoro per creare un'elevata mobilità del litio".
L'approccio per la progettazione dei materiali catodici introdotto dai ricercatori si è finora dimostrato molto promettente. In una serie di esperimenti preliminari, i catodi risultanti hanno raggiunto energie notevoli di oltre 1, 100 Wh kg -1 , velocità di scarica fino a 20 A g -1 e una capacità superiore a 360 mA h g -1 , , che è tra i più alti segnalati finora. Inoltre, gran parte di questa capacità è stata mantenuta nel tempo, anche quando le batterie sono state ricaricate più volte.
interessante, quasi la metà della capacità derivava da un processo noto come ossidoriduzione (ossia, riduzione dell'ossidazione). Sebbene questo fenomeno sia stato ampiamente studiato in ossidi di Ni-Mn-Co stratificati ricchi di Li o in salgemma disordinato, è stato raramente osservato in catodi di tipo spinello come quelli sintetizzati dai ricercatori.
Nei loro esperimenti, i ricercatori sono stati anche in grado di ottimizzare l'overstoicometria cationica e l'eccesso di Li, due qualità chimiche che possono aiutare a mettere a punto la struttura dei materiali degli elettrodi. Ciò ha permesso loro di ottenere una serie di caratteristiche catodiche desiderabili come una cinetica di trasporto Li veloce ed eccellenti profili di tensione.
Nel futuro, la strategia di progettazione potrebbe fungere da linea guida per la realizzazione di materiali catodici per batterie a base di litio ad alta potenza e densità di energia. Inoltre, i due ossifluoruri sintetizzati nel loro studio potrebbero essere utilizzati per creare nuovi, batterie altamente performanti.
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