Dagli smartphone di nuova generazione alle auto elettriche a lungo raggio e una rete elettrica migliorata, batterie migliori stanno guidando l'innovazione tecnologica. E per spingere le batterie oltre le loro prestazioni attuali, i ricercatori vogliono vedere "sotto il cofano" per imparare come si comportano i singoli ingredienti dei materiali delle batterie sotto la superficie.

Ciò potrebbe in definitiva portare a miglioramenti della batteria come maggiore capacità e tensione.

Ma molte delle tecniche usate dagli scienziati possono solo graffiare la superficie di ciò che funziona all'interno delle batterie, e una tecnica a raggi X ad alta sensibilità presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Lab) sta attirando un gruppo crescente di scienziati perché fornisce una visione più profonda, immersione più precisa nella chimica della batteria.

"Le persone stanno cercando di spingere il funzionamento delle batterie oltre quello che hanno ottenuto prima, " ha detto Wanli Yang, uno scienziato dello staff dell'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab che ha adattato una tecnica a raggi X nota come RIXS (scattering di raggi X anelastico risonante), per l'uso in esperimenti sulla SLA incentrati su batterie e altri materiali energetici. L'ALS produce fasci di luce che vanno dall'infrarosso ai raggi X per supportare una varietà di esperimenti simultanei condotti da ricercatori di tutto il mondo che utilizzano la struttura.

La tecnica che Yang ha adattato per la ricerca sulle batterie, noto come mRIXS ad alta efficienza (mappatura di RIXS), ha suscitato particolare interesse da parte dei ricercatori che studiano progetti per elettrodi, quali sono i componenti della batteria attraverso i quali la corrente passa dentro e fuori la batteria. In precedenza, RIXS era conosciuto principalmente come uno strumento per esplorare la fisica fondamentale nei materiali, e Yang, lavorare con teorici e altri, ha contribuito ad applicare la tecnica a nuovi campi di ricerca.

"Gli scienziati stavano cercando di vedere all'interno di una batteria il materiale, non solo in superficie, ma anche nella maggior parte dei casi, per conoscere i suoi atomi di ossigeno e gli stati dei metalli, " Yang ha detto. "La maggior parte delle tecniche convenzionali manca della profondità della sonda o della sensibilità chimica che potrebbe essere offerta da mRIXS".

MRIXS può essere utilizzato per scansionare campioni di elettrodi della batteria per misurare gli stati chimici di diversi elementi in un punto specifico del ciclo di carica o scarica della batteria. È efficace nella misurazione dei materiali delle batterie comuni, come quelli noti come "ossidi di metalli di transizione inferiori" che possono essere più leggeri e più economici di alcune alternative.

Può dire ai ricercatori se, e quanto completamente, i materiali delle batterie acquistano e perdono elettroni e ioni—atomi con carica positiva o negativa—in modo stabile, in modo che possano imparare quanto velocemente e perché una batteria si sta degradando, Per esempio.

Durante il funzionamento di una batteria, l'atomo di ossigeno in un elettrodo di batteria può essere ridotto (acquisendo elettroni) e ossidato (perdendo elettroni), nota come reazione di "ossidoriduzione". È stato scoperto che un tale cambiamento negli stati dell'ossigeno ostacola le prestazioni della batteria negli studi sui cosiddetti elettrodi ricchi di litio, che potenzialmente offrono più accumulo di litio e quindi una maggiore capacità.

"I cambiamenti degli stati dell'ossigeno potrebbero rendere la batteria non sicura e anche innescare altre reazioni collaterali" se il processo non è reversibile, ha detto Yang. "La struttura potrebbe anche crollare".

Ma l'ossidoriduzione reversibile che avviene all'interno dell'elettrodo è una buona cosa. La tecnica mRIXS può rilevare se gli stati redox dell'ossigeno sono reversibili, e può anche rilevare stati metallici nell'elettrodo.

Questa capacità unica rende inoltre mRIXS particolarmente utile per studi di alta tensione, materiali per batterie ad alta capacità che sono diventati un obiettivo crescente per la ricerca e lo sviluppo delle batterie.

La tecnica funziona scansionando lentamente con raggi X attraverso un campione che preserva chimicamente un punto nel ciclo di carica o scarica della batteria. Una scansione della mappa ora richiede circa tre ore per essere completata per campione:una tale scansione della mappa completa richiederebbe giorni prima che il sistema RIXS ad alta efficienza fosse introdotto presso l'ALS.

"L'unicità del sistema qui non sta solo nel tempo di raccolta dei dati, ma la sua capacità di osservare stati chimici non convenzionali che in genere non sono molto stabili ai raggi X, " ha affermato. Il miglioramento dell'efficienza di rilevamento è importante per preservare il campione prima dell'insorgenza di eventuali danni causati dai raggi X. Questa è anche una sfida tecnica che può essere affrontata da future sorgenti luminose con una luminosità dei raggi X molto migliorata , come il progetto ALS Upgrade (ALS-U), e gli scienziati della SLA stanno ora lavorando per migliorare ulteriormente l'efficienza di rilevamento.

La tecnica è stata parte integrante di diversi studi sulle batterie pubblicati negli ultimi mesi:

• Uno studio, pubblicato a febbraio, focalizzato sugli stati redox dell'ossigeno in un materiale commercialmente valido per batterie al litio contenente litio, nichel, cobalto, manganese, e ossigeno per un elettrodo noto come catodo.
• Anche gli stati redox dell'ossigeno nei materiali delle batterie sono stati al centro di altri studi a febbraio, compreso uno focalizzato su un materiale sodio-batteria contenente sodio, litio, manganese, e ossigeno.
• Ulteriori studi sugli elettrodi di ossido ricchi di litio hanno utilizzato mRIXS per risolvere la loro chimica dell'ossigeno:uno studio a gennaio si è concentrato sulla riduzione del decadimento della batteria correlato alla tensione; e un altro studio a marzo ha dimostrato l'operazione di carica e scarica rapida di un materiale con chimica dell'ossigeno reversibile.
• Uno studio del novembre 2019 ha anche utilizzato mRIXS per esaminare gli stati dello zolfo, piuttosto che ossigeno, nei materiali delle batterie al solfuro di litio.

Yang ha affermato che il crescente utilizzo della tecnica da parte della comunità di ricerca e sviluppo delle batterie è incoraggiante, e i ricercatori della SLA stanno lavorando per sviluppare più capacità per questi esperimenti.

"La domanda sta aumentando estremamente rapidamente e l'ALS sta sviluppando nuovi sistemi RIXS con un rendimento ancora più elevato grazie a questa capacità dimostrata e all'aumento della domanda, " ha detto Yang.

"Avere RIXS introdotto nella ricerca sui materiali energetici è una cosa nuova, Yang ha aggiunto. “Se dopo 10 anni noi della SLA siamo riconosciuti come le persone che hanno spinto una tecnica fisica fondamentale per studiare batterie e altri materiali energetici, questo è ciò di cui dovremmo essere orgogliosi. "Questo è come un nuovo campo, e la comunità aveva un disperato bisogno di uno strumento del genere".