Caratterizzazione del NCNO preparato. Credito:Pete Barnes et al, Materiali naturali (2022). DOI:10.1038/s41563-022-01242-0
I ricercatori della Boise State University hanno sviluppato un nuovo approccio per realizzare nuovi materiali per batterie agli ioni di litio. Partendo da un ossido di niobio amorfo (cioè un materiale privo di ordine a lungo raggio), il team ha scoperto che l'atto stesso di ciclare il materiale con il litio induce una trasformazione in un nuovo Nb2 cristallino O5 anodo con eccezionale accumulo di Li e ciclo veloce. Questo processo può essere potenzialmente utilizzato per realizzare altri materiali per batterie agli ioni di litio che non possono essere facilmente realizzati con mezzi tradizionali.
Lo studio, condotto congiuntamente dai ricercatori nei laboratori di Hui (Claire) Xiong, professore di scienza dei materiali e ingegneria presso la Boise State University, e Shyue Ping Ong, professore di nanoingegneria presso l'Università della California a San Diego, è stato pubblicato in Materiali naturali .
La scoperta di nuovi materiali per le batterie agli ioni di litio ha assunto una rinnovata urgenza. Alimentato dall'aumento dei prezzi del gas, c'è stato un aumento della domanda di veicoli elettrici (EV) e, con esso, di batterie agli ioni di litio che li alimentano. Tuttavia, le attuali batterie agli ioni di litio sono ancora troppo costose e si caricano troppo lentamente.
"Le batterie agli ioni di litio sono la tecnologia leader per il mercato delle batterie ricaricabili, ma c'è anche un aumento della richiesta di batterie ad alta energia e tempi di ricarica più rapidi", ha affermato Pete Barnes, un Ph.D. alunno del laboratorio di materiali energetici elettrochimici di Xiong presso la Micron School of Materials Science and Engineering e autore principale del lavoro. "Se vuoi caricare il tuo veicolo elettrico per 15 minuti e poi metterti in viaggio per le prossime 200 o 300 miglia, hai bisogno di nuovi elettrodi della batteria che possano essere caricati a una velocità molto elevata senza perdere molto nelle prestazioni."
Uno dei maggiori colli di bottiglia alla ricarica delle odierne batterie agli ioni di litio c'è l'anodo. L'anodo più comune è costituito da grafite, che è molto densa di energia, ma non può essere caricata troppo rapidamente a causa del rischio di incendi ed esplosioni dovute a un processo noto come placcatura in metallo al litio. Ossidi metallici di intercalazione, come il salgemma Nb2 O5 materiale scoperto dal team, sono promettenti alternative all'anodo a causa del ridotto rischio di placcatura al litio a basse tensioni.
Per creare il nuovo materiale anodico, il gruppo di Xiong ha sviluppato una nuova tecnica innovativa chiamata trasformazione da amorfa a cristallina indotta elettrochimicamente. Il nuovo elettrodo può raggiungere un'elevata capacità di accumulo di litio di 269 mAh/g con una velocità di carica di 20 mA/g e, soprattutto, continua a mantenere un'elevata capacità di 191 mAh/g con una velocità di carica elevata di 1 A/g.
"L'aspetto più interessante di questo lavoro è la scoperta di un approccio completamente nuovo per creare nuovi elettrodi per batterie agli ioni di litio", ha affermato Xiong. "Il trucco è iniziare da una fase a più alta energia, come un materiale amorfo. Il semplice ciclo del materiale con il litio ci consente di creare nuove disposizioni cristalline che mostrano proprietà migliorate oltre a quelle ottenute con mezzi tradizionali come le reazioni allo stato solido."
L'eccezionale velocità di prestazione dell'anodo è dovuta alla sua struttura disordinata di salgemma o DRX, che è come un normale sale da cucina ma con gli atomi di Li e Nb disposti in modo casuale. Mentre i materiali catodici DRX sono ben noti, gli anodi DRX sono relativamente rari. Utilizzando tecniche computazionali, Yunxing Zuo, un Ph.D. alunno di Ong's Materials Virtual Lab presso la UC San Diego, ha mostrato che il processo di inserimento di Li in Nb2 amorfo O5 consente agli scienziati dei materiali di accedere a materiali metastabili. Il team ha anche sviluppato una metrica per identificare altri ossidi metallici che possono essere potenzialmente sintetizzati in modo simile. I calcoli mostrano anche che la struttura DRX contiene percorsi per una rapida diffusione del litio, con conseguenti prestazioni ad alta velocità.
"Riteniamo che questo lavoro sia solo l'inizio di un modo completamente nuovo di pensare alla sintesi dei materiali", ha affermato l'Ong. "Agli atomi piace disporre da soli in determinati modi. Quando produciamo materiali in modo tradizionale, di solito otteniamo le stesse disposizioni ancora e ancora. Questo nuovo approccio apre una strada promettente per la creazione di altri ossidi metallici non convenzionali".
Il team ha inoltre collaborato con i dott. Sungsik Lee, Justin Connell, Hua Zhou e Yuzi Liu dell'Argonne National Laboratory, i prof. Paul Davis, Paul Simmonds e il dottor Darin Schwartz di Boise State e i dottori. Yingge Du e Zihua Zhu del Pacific Northwest National Laboratory. + Esplora ulteriormente
