Un po' di cera e sapone può aiutare a costruire elettrodi per batterie agli ioni di litio più economiche, secondo uno studio del numero dell'11 agosto di Nano lettere . Il metodo in un solo passaggio consentirà agli sviluppatori di batterie di esplorare alternative a basso prezzo alle batterie agli ioni di litio-ossido di metallo attualmente sul mercato.

"La paraffina fornisce un mezzo in cui coltivare buoni materiali per elettrodi, " ha detto lo scienziato dei materiali Daiwon Choi del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy. "Questo metodo aiuterà i ricercatori a studiare i materiali catodici basati su metalli di transizione più economici come il manganese o il ferro".

I consumatori utilizzano batterie agli ioni di litio ricaricabili a lunga durata in qualsiasi cosa, dai telefoni cellulari all'ultimo gadget portatile. Alcune case automobilistiche vogliono usarli nei veicoli. La maggior parte delle batterie agli ioni di litio oggi disponibili sono progettate con un ossido di metallo come il cobalto, nichel, o manganese. Choi e colleghi del PNNL e della State University of New York a Binghamton volevano esplorare sia i metalli più economici che il fosfato più stabile al posto dell'ossido.

Il racconto della ricarica

Queste batterie ricaricabili funzionano perché il litio è egoista e vuole il proprio elettrone. Gli ioni di litio caricati positivamente normalmente si trovano nell'ossido di metallo, la stalla, elettrodo positivo nelle batterie. L'ossido di metallo condivide generosamente i suoi elettroni con gli ioni di litio.

La carica con l'elettricità pompa gli elettroni nell'elettrodo negativo, e quando gli ioni di litio vedono le cariche negative fluttuanti attraverso la batteria, vengono attratti dalla vita lontano dalla gabbia di ossido di metallo. Quindi via gli ioni di litio, abbandonare l'ossido di metallo e i suoi elettroni condivisi per trascorrere del tempo godendosi i propri.

Ma la relazione non dura:l'uso della batteria in un dispositivo elettronico crea un condotto attraverso il quale possono fluire gli elettroni scivolosi. Perdendo i loro elettroni, gli ioni di litio tornano all'ossido di metallo sempre in attesa. La ricarica avvia l'intero sordido processo.

Più economico, più stabile

Mentre l'ossido di cobalto si comporta bene nelle batterie al litio, il cobalto e il nichel sono più costosi del manganese o del ferro. Inoltre, la sostituzione del fosfato con l'ossido fornisce una struttura più stabile per il litio.

Le batterie al litio ferro fosfato sono disponibili in commercio in alcuni utensili elettrici e prodotti solari, ma la sintesi del materiale dell'elettrodo è complicata. Choi e colleghi volevano sviluppare un metodo semplice per trasformare il fosfato di litio metallico in un buon elettrodo.

Il fosfato di litio manganese - LMP - può teoricamente immagazzinare alcune delle più alte quantità di energia delle batterie ricaricabili, con un peso di 171 milliAmp ore per grammo di materiale. L'elevata capacità di stoccaggio consente alle batterie di essere leggere. Ma altri ricercatori che lavorano con LMP non sono nemmeno stati in grado di ottenere 120 milliAmp ore per grammo così lontano dal materiale che hanno sintetizzato.

Choi pensava che la perdita del 30% di capacità potesse essere dovuta al fatto che il litio e gli elettroni dovevano farsi strada attraverso l'ossido di metallo, una proprietà chiamata resistenza. Minore è la distanza che il litio e gli elettroni devono percorrere fuori dal catodo, pensava, minore è la resistenza e più elettricità può essere immagazzinata. Una particella più piccola diminuirebbe quella distanza.

Ma la crescita di particelle più piccole richiede temperature più basse. Sfortunatamente, temperature più basse significano che le molecole di ossido metallico non riescono ad allinearsi bene nei cristalli. La casualità non è adatta per i materiali catodici, quindi i ricercatori avevano bisogno di un quadro in cui gli ingredienti - litio, manganese e fosfato - potrebbero organizzarsi in cristalli ordinati.

cera su, cera fuori

La cera di paraffina è costituita da molecole lunghe e dritte che non reagiscono con molto, e le lunghe molecole potrebbero aiutare ad allineare le cose. Il sapone, un tensioattivo chiamato acido oleico, potrebbe aiutare i cristalli in crescita a disperdersi in modo uniforme.

Così, Choi e colleghi hanno mescolato gli ingredienti dell'elettrodo con paraffina fusa e acido oleico e hanno lasciato che i cristalli crescessero mentre aumentavano lentamente la temperatura. A 400 gradi Celsius (quattro volte la temperatura dell'acqua bollente), si erano formati dei cristalli e la cera e il sapone erano evaporati. Gli scienziati dei materiali generalmente rafforzano i metalli sottoponendoli a calore elevato, quindi il team ha alzato ancora di più la temperatura per fondere i cristalli in un piatto.

"Questo metodo è molto più semplice di altri modi per produrre catodi di litio manganese fosfato, " ha detto Choi. "Altri gruppi hanno un complicato, processo a più fasi. Mescoliamo tutti i componenti e lo riscaldiamo".

Per misurare le dimensioni delle minuscole piastre, il team ha utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione in EMSL, Laboratorio di scienze molecolari ambientali del DOE nel campus del PNNL. Da vicino, minuscolo, rettangoli sottili colpiti in ogni modo. Le nanopiastre misuravano circa 50 nanometri di spessore - circa mille volte più sottili di un capello umano - e fino a 2000 nanometri di lato. Altre analisi hanno mostrato che la crescita dei cristalli era adatta per gli elettrodi.

Per testare LMP, il team ha liberato le nanopiastre l'una dall'altra e ha aggiunto un supporto in carbonio conduttivo, che funge da elettrodo positivo. Il team ha testato la quantità di elettricità che il materiale potrebbe immagazzinare dopo essere stato caricato e scaricato velocemente o lentamente.

Quando i ricercatori hanno caricato le nanopiastre lentamente per un giorno e poi le hanno scaricate altrettanto lentamente, la mini batteria LMP ha tenuto poco più di 150 milliAmp ore per grammo di materiale, superiore a quello che altri ricercatori erano stati in grado di raggiungere. Ma quando la batteria si è scaricata velocemente, diciamo, in un'ora, che è sceso a circa 117, paragonabile ad altro materiale.

Le sue migliori prestazioni hanno raggiunto il massimo teorico a 168 milliAmp ore per grammo, quando è stato lentamente caricato e scaricato in due giorni. Caricare e scaricare in un'ora - un obiettivo ragionevole per l'uso nell'elettronica di consumo - ha permesso di immagazzinare un misero 54 milliAmp ore per grammo.

Sebbene questa versione di una batteria LMP si ricarichi più lentamente di altri materiali catodici, Choi ha detto che il vero vantaggio di questo lavoro è che il facile, Il metodo in un'unica fase consentirà loro di esplorare un'ampia varietà di materiali economici con cui è stato tradizionalmente difficile lavorare nello sviluppo di batterie ricaricabili agli ioni di litio.

Nel futuro, il team cambierà il modo in cui incorporano il rivestimento in carbonio sulle nanopiastre LMP, che potrebbero migliorare i loro tassi di carica e scarica.