I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno una lunga storia di scoperte rivoluzionarie con le batterie agli ioni di litio. Molte di queste scoperte si sono concentrate su un catodo della batteria noto come NMC, un ossido di nichel-manganese-cobalto. Le batterie con questo catodo ora alimentano la Chevy Bolt.

I ricercatori Argonne hanno fatto un'altra svolta con il catodo NMC. La nuova struttura del team per le microparticelle del catodo potrebbe portare a batterie più durature e più sicure in grado di funzionare a tensioni molto elevate e veicoli elettrici per autonomia di guida più lunga. Un articolo su questa ricerca è apparso su Nature Energy .

"L'attuale catodo NMC ha rappresentato un importante ostacolo al funzionamento ad alta tensione", ha affermato Guiliang Xu, assistente chimico. Con il ciclo di carica-scarica, le prestazioni diminuiscono rapidamente a causa della formazione di crepe nelle particelle del catodo. Per diversi decenni, i ricercatori sulle batterie hanno cercato modi per eliminare queste crepe.

Un approccio passato prevedeva particelle sferiche su microscala costituite da numerose particelle molto più piccole. Le grandi particelle sferiche sono policristalline, con regioni cristalline diversamente orientate. Di conseguenza, hanno ciò che gli scienziati chiamano bordi di grano tra le particelle, che causano crepe durante il ciclo della batteria. Per evitare ciò, i colleghi di Xu e Argonne avevano precedentemente sviluppato un rivestimento protettivo in polimero attorno a ciascuna particella. Questo rivestimento circonda le particelle sferiche grandi e quelle più piccole al loro interno.

Un approccio diverso per evitare questo cracking coinvolge particelle di cristallo singolo. La microscopia elettronica di queste particelle ha indicato che non hanno confini.

Il problema che il team ha dovuto affrontare è stato che i catodi realizzati sia con policristalli rivestiti che con cristalli singoli formavano ancora crepe con il ciclo. Quindi, hanno sottoposto questi materiali catodici ad analisi approfondite presso l'Advanced Photon Source (APS) e il Center for Nanoscale Materials (CNM), strutture per gli utenti del DOE Office of Science ad Argonne.

Diverse analisi a raggi X sono state eseguite su cinque linee di luce APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C e 34-ID-E). Si è scoperto che ciò che gli scienziati avevano creduto fossero cristalli singoli, come evidenziato dalla microscopia elettronica e a raggi X, in realtà aveva dei confini all'interno. Le microscopie elettroniche a scansione e trasmissione al CNM hanno verificato il ritrovamento.

"Quando osserviamo la morfologia superficiale di queste particelle, sembrano cristalli singoli", ha detto il fisico Wenjun Liu. "Ma quando utilizziamo una tecnica chiamata microscopia a diffrazione di raggi X di sincrotrone e altre tecniche all'APS, troviamo dei confini nascosti all'interno."

È importante sottolineare che il team ha sviluppato un metodo per la produzione di cristalli singoli privi di bordi. Il test di piccole celle con tali catodi a cristallo singolo ad altissima tensione ha mostrato un aumento del 25% dell'accumulo di energia per unità di volume, senza quasi nessuna perdita di prestazioni in 100 cicli di test. Al contrario, durante lo stesso ciclo di vita, la capacità è diminuita dal 60% all'88% nei catodi NMC composti da cristalli singoli con molti bordi interni o con policristalli rivestiti.

I calcoli su scala atomica hanno rivelato il meccanismo alla base del declino della capacità del catodo. Secondo la nanoscienziata Maria Chan del CNM, rispetto alle regioni lontane da loro, i confini sono più vulnerabili alla perdita di atomi di ossigeno durante la carica della batteria. Questa perdita di ossigeno porta alla degradazione con il ciclo cellulare.

"I nostri calcoli hanno mostrato come i limiti portino al rilascio di ossigeno ad alta tensione e, di conseguenza, al calo delle prestazioni", ha affermato Chan.

L'eliminazione dei confini impedisce il rilascio di ossigeno e quindi migliora la sicurezza e la stabilità del catodo durante il ciclismo. Le misurazioni del rilascio di ossigeno presso l'APS e l'Advanced Light Source presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE hanno supportato questa scoperta.

"Ora disponiamo di linee guida che i produttori di batterie possono utilizzare per preparare materiale catodico privo di confini e funzionante ad alta tensione", ha affermato Khalil Amine, Argonne Distinguished Fellow. "E le linee guida dovrebbero applicarsi ad altri materiali catodici oltre a NMC." + Esplora ulteriormente

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