La microscopia elettronica di un nanofilo di biossido di manganese in sezione mostra la sua struttura atomica a tunnel, stabilizzato da ioni potassio. I tunnel misurano circa tre quarti di nanometro, o 7,5 ngstrom, di diametro. L'inserto è un modello del tunnel visto lungo il suo asse. Credito:Reza Shahbazian-Yassar/UIC
I ricercatori di batterie alla ricerca di materiali per elettrodi migliorati si sono concentrati su strutture "tunneled" che rendono più facile per gli ioni portatori di carica entrare e uscire dall'elettrodo. Ora un team guidato da un ricercatore dell'Università dell'Illinois a Chicago ha utilizzato uno speciale microscopio elettronico con risoluzione a livello atomico per dimostrare che alcuni grandi ioni possono tenere aperti i tunnel in modo che gli ioni portatori di carica possano entrare ed uscire facilmente dall'elettrodo e rapidamente.
Il ritrovamento è riportato in Comunicazioni sulla natura .
"Sono state condotte ricerche significative per aumentare la densità di energia e la densità di potenza dei sistemi di batterie agli ioni di litio, "dice Reza Shahbazian-Yassar, professore associato di ingegneria meccanica e industriale presso l'UIC.
La generazione attuale, Egli ha detto, è abbastanza utile per i dispositivi portatili, ma l'energia e la potenza massime estraibili è limitante.
"Quindi per un'auto elettrica, dobbiamo aumentare l'energia e la potenza della batteria e diminuire anche il costo, " Egli ha detto.
La sua squadra, che include colleghi dell'Argonne National Laboratory, Michigan Technological Institute e l'Università di Bath nel Regno Unito, si è concentrata sullo sviluppo di un catodo a base di biossido di manganese, un materiale a bassissimo costo e rispettoso dell'ambiente con un'elevata capacità di stoccaggio.
Il biossido di manganese ha una struttura reticolare con tunnel regolarmente distanziati che consentono ai portatori di carica, come gli ioni di litio, di entrare e uscire liberamente.
"Ma affinché i tunnel sopravvivano per una funzione di lunga durata, hanno bisogno di strutture di supporto su scala atomica, " ha detto Shahbazian-Yassar. "Li chiamiamo stabilizzatori di tunnel, e sono generalmente grandi, ioni positivi, come il potassio o il bario."
Lo schema 3D mostra come il drogaggio con potassio può facilitare l'inserimento di ioni di litio nel biossido di manganese rivestito su un collettore di corrente. Credito:Reza Shahbazian-Yassar/UIC
Ma gli stabilizzatori del tunnel, essendo caricato positivamente come gli ioni di litio, dovrebbero respingersi.
"Se entra il litio, lo stabilizzatore del tunnel uscirà?" Shahbazian-Yassar si strinse nelle spalle. "La comunità di ricerca era in disaccordo sul ruolo degli stabilizzatori del tunnel durante il trasferimento del litio nei tunnel. aiuta, o ferito?"
Il nuovo studio rappresenta il primo utilizzo della microscopia elettronica per visualizzare la struttura atomica dei tunnel in un materiale elettrodico unidimensionale, cosa che secondo i ricercatori non era stata possibile in precedenza a causa della difficoltà di preparare i campioni. Ci sono voluti due anni per stabilire la procedura per cercare tunnel in nanofili di biossido di manganese drogati con potassio fino al livello di un singolo atomo.
Yifei Yuan, un ricercatore post-dottorato che lavora congiuntamente all'Argonne National Laboratory e all'UIC e l'autore principale dello studio, è stato quindi in grado di utilizzare una potente tecnica chiamata microscopia elettronica a trasmissione a scansione con correzione dell'aberrazione per visualizzare i tunnel a una risoluzione sub-ångstrom in modo da poter vedere chiaramente al loro interno, e ha visto che cambiano in presenza di uno ione stabilizzatore.
"È un modo diretto per vedere i tunnel, " ha detto Yuan. "E abbiamo visto che quando si aggiunge uno stabilizzatore a tunnel, i tunnel si espandono, cambiano anche le loro strutture elettroniche, e tali cambiamenti consentono agli ioni di litio di muoversi dentro e fuori, intorno allo stabilizzatore."
La scoperta mostra che gli stabilizzatori del tunnel possono aiutare nel trasferimento di ioni nei tunnel e nella velocità di carica e scarica, Shahbazian-Yassar ha detto. La presenza di ioni potassio nei tunnel migliora la conduttività elettronica del biossido di manganese e la capacità degli ioni di litio di diffondere rapidamente dentro e fuori i nanofili.
"Con gli ioni di potassio che rimangono al centro dei tunnel, la ritenzione della capacità migliora della metà in presenza di un'elevata corrente di ciclo, il che significa che la batteria può mantenere la sua capacità più a lungo, " Egli ha detto.
