Un documento di revisione di un team di ricerca della Tianjin University of Technology ha utilizzato varie tecniche avanzate di microscopia elettronica e di caratterizzazione associata per chiarire due meccanismi basati sulla struttura delle batterie agli ioni di litio. Credito:Nano Research Energy , Tsinghua University Press
Vedere per credere, o meglio, vedere può aiutare a comprendere, specialmente quando si tratta dei meccanismi alla base delle batterie agli ioni di litio. Nonostante l'uso quasi onnipresente in telefoni cellulari, computer e altro, i complessi ambienti elettrochimici delle batterie agli ioni di litio rimangono oscuri.
Per comprendere meglio e migliorare le prestazioni della batteria, i ricercatori hanno esaminato l'attuale letteratura scientifica e hanno utilizzato la microscopia elettronica per esaminare più da vicino i meccanismi di trasferimento di carica e migrazione degli ioni di litio che producono energia. Questo studio è stato pubblicato su Nano Research Energy .
"Le batterie commerciali agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate come dispositivi di accumulo di energia, compresi i veicoli elettrici, l'elettronica portatile e l'accumulo di energia della rete", ha affermato Yi Ding, professore della Tianjin University of Technology. "Energia, potenza, velocità di carica-scarica, costo, durata del ciclo, sicurezza e impatto ambientale devono essere presi in considerazione quando si adottano le batterie agli ioni di litio per un'applicazione adeguata, ma ogni applicazione specifica deve affrontare una serie di sfide diverse."
La quantità di energia immagazzinata è importante per l'elettronica portatile, mentre il costo e la sicurezza sono più importanti per i veicoli elettrici, ad esempio. Anche i costi e la sicurezza sono importanti per il fabbisogno della rete energetica, ma la densità energetica diventa meno importante rispetto ai veicoli elettrici. Il compromesso tra questi elementi cambia in base alle necessità, ma la capacità di ottimizzare le prestazioni è limitata dalla comprensione incompleta dei materiali utilizzati nelle batterie.
"I materiali degli elettrodi attivi sono la parte principale responsabile della chimica e delle prestazioni delle celle e, in definitiva, influenzano la commercializzazione della batteria costruita", ha affermato Ding.
"Le prestazioni, come la durata del ciclo e la densità di energia, dei sistemi di materiali per elettrodi commerciali esistenti devono ancora essere migliorate, quindi è importante comprendere le proprietà fisiche e chimiche intrinseche, come l'evoluzione/cinetica strutturale durante il de-embedding del litio e il effetto dell'interfaccia elettrodo-elettrolita sulle prestazioni delle batterie agli ioni di litio."
I ricercatori hanno esaminato i recenti progressi della microscopia elettronica per vedere come le tradizionali tecniche di caratterizzazione sono all'altezza quando si tratta di comprendere le relazioni struttura-attività delle batterie commerciali agli ioni di litio.
"Confrontando il contenuto della caratterizzazione ottenuto dalle tecniche di caratterizzazione tradizionali, come la diffrazione dei raggi X e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X, illustriamo i vantaggi e i limiti dei comuni microscopi elettronici e delle tecniche avanzate di caratterizzazione microscopica elettronica recentemente sviluppate, come l'elettrone in situ tecnologia di microscopia, in questa ricerca critica", ha detto Ding.
I ricercatori hanno esaminato in che modo la microscopia elettronica avanzata e le tecniche di caratterizzazione associate possono fornire informazioni diverse su come, ad esempio, gli ioni di litio migrano nella batteria per produrre carica o come il trasferimento di carica può innescare il consumo di energia.
Si sono concentrati in particolare sulla dissoluzione del metallo di transizione e sul meccanismo di trasferimento della carica nel processo di carica-scarica degli elettrodi positivi delle batterie agli ioni di litio; la struttura e l'evoluzione delle interfacce catodo-elettrodo e dell'interfase dell'elettrolita solido durante il ciclo a lungo termine; e l'effetto della struttura dell'elettrodo e dell'interfaccia sulla migrazione degli ioni di litio.
La conclusione, secondo Ding, è che sono necessarie tecnologie per batterie agli ioni di litio di nuova generazione con migliori vantaggi in termini di costi e prestazioni.
"Proponiamo la possibilità di combinare la microscopia elettronica con altre tecniche per ottenere informazioni più complete", ha detto Ding, osservando che la microscopia elettronica ha tre limiti comuni nella valutazione della batteria.
Questi includono ambienti elettrochimici incoerenti tra i campi di microscopia elettronica e le batterie reali; finestre temporali instabili che possono distorcere i dati relativi all'evoluzione del campione; e alcune batterie non possono essere valutate quantitativamente su scala nanometrica. "Anche con limitazioni, queste discussioni consentono ai ricercatori di ottenere una comprensione più profonda di come le batterie agli ioni di litio commerciali funzionano su microscala e forniscono una guida per strategie di progettazione per batterie pratiche ad alte prestazioni", hanno osservato i ricercatori. + Esplora ulteriormente
