Dalla sua scoperta 15 anni fa, litio ferro fosfato (LiFePO ₄ ) è diventato uno dei materiali più promettenti per le batterie ricaricabili grazie alla sua stabilità, durata, sicurezza e capacità di erogare molta potenza contemporaneamente. È stato al centro di importanti progetti di ricerca in tutto il mondo, e una tecnologia leader utilizzata in tutto, dagli utensili elettrici ai veicoli elettrici. Ma nonostante questo diffuso interesse, le ragioni delle insolite caratteristiche di carica e scarica del fosfato di ferro di litio sono rimaste poco chiare.

Ora, la ricerca del professore associato di ingegneria chimica e matematica del MIT Martin Z. Bazant ha fornito nuovi risultati sorprendenti che mostrano che il materiale si comporta in modo molto diverso da quanto si pensava, aiutando a spiegare le sue prestazioni e possibilmente aprendo la porta alla scoperta di materiali per batterie ancora più efficaci.

Le nuove intuizioni sul comportamento del litio ferro fosfato sono dettagliate in un articolo apparso questa settimana sulla rivista ACS Nano , scritto da Bazant e dal postdoc Daniel Cogswell. Il documento è un'estensione della ricerca che hanno riportato alla fine dell'anno scorso sulla rivista Nano lettere .

Quando fu scoperto per la prima volta, il litio ferro fosfato è stato considerato utile solo per applicazioni a bassa potenza. Quindi, sviluppi successivi - da ricercatori tra cui Yet-Ming Chiang del MIT, il professore di ceramica Kyocera - ha dimostrato che la sua capacità di potenza potrebbe essere migliorata notevolmente utilizzandola in forma di nanoparticelle, un approccio che lo ha reso uno dei migliori materiali conosciuti per le applicazioni ad alta potenza.

Ma i motivi per cui le nanoparticelle di LiFePO ₄ ha funzionato così bene è rimasto sfuggente. Era opinione diffusa che mentre veniva caricato o scaricato, il materiale sfuso si è separato in diverse fasi con concentrazioni di litio molto diverse; questa separazione di fase, si pensava, limitato la capacità di alimentazione del materiale. Ma la nuova ricerca mostra che, in molte condizioni del mondo reale, questa separazione non avviene mai.

La teoria di Bazant prevede che al di sopra di una corrente critica, la reazione è così veloce che il materiale perde la sua tendenza alla separazione di fase che avviene a livelli di potenza inferiori. Appena sotto la corrente critica, il materiale passa attraverso un nuovo stato di “soluzione quasi solida”, dove “non ha tempo per completare la separazione di fase, " lui dice. Queste caratteristiche aiutano a spiegare perché questo materiale è così buono per le batterie ricaricabili, lui dice.

I risultati sono il risultato di una combinazione di analisi teoriche, modellazione al computer ed esperimenti di laboratorio, Bazant spiega:un approccio interdisciplinare che riflette i suoi incarichi congiunti nei dipartimenti di ingegneria chimica e matematica del MIT.

Precedenti analisi di questo materiale avevano esaminato il suo comportamento in un unico momento, ignorando la dinamica del suo comportamento. Ma Bazant e Cogswell hanno studiato come il materiale cambia durante l'uso, durante la carica o la scarica di una batteria, e le sue proprietà mutevoli nel tempo si sono rivelate cruciali per comprenderne le prestazioni.

“Questo non è stato fatto prima, "Dice Bazant. Quello che hanno trovato, Aggiunge, è un fenomeno completamente nuovo, e uno che potrebbe essere importante per comprendere le prestazioni di molti materiali per batterie, il che significa che questo lavoro potrebbe essere significativo anche se il fosfato di ferro di litio finisce per essere abbandonato a favore di altri nuovi materiali.

I ricercatori avevano pensato che il litio assorbisse gradualmente le particelle dall'esterno verso l'interno, producendo un nucleo restringente di materiale povero di litio al centro. Quello che il team del MIT ha scoperto era molto diverso:a bassa corrente, il litio forma bande parallele diritte di materiale arricchito all'interno di ciascuna particella, e le bande viaggiano attraverso le particelle mentre vengono caricate. Ma a livelli di corrente elettrica più elevati, non c'è affatto separazione, sia a bande che a strati; Invece, ogni particella assorbe il litio tutto in una volta, trasformandosi quasi istantaneamente da povero di litio a ricco di litio.

La nuova scoperta aiuta a spiegare anche la durata del fosfato di ferro e litio. Quando sono presenti strisce di fasi diverse, i confini tra quelle strisce sono una fonte di tensione che può causare screpolature e un graduale degrado delle prestazioni. Ma quando l'intero materiale cambia in una volta, non ci sono tali confini e quindi meno degrado.

Questa è una scoperta insolita, Bazant dice:“Di solito, se stai facendo qualcosa più velocemente, fai più danni, ma in questo caso è il contrario». Allo stesso modo, lui e Cogswell prevedono che operare a una temperatura leggermente più alta farebbe effettivamente durare più a lungo il materiale, che va contro il comportamento materiale tipico.

Oltre a vedere come il materiale cambia nel tempo, capire come funziona implicava guardare il materiale su scale che altri non avevano esaminato:mentre molte analisi erano state fatte a livello di atomi e molecole, si è scoperto che i fenomeni chiave potevano essere visti solo alla scala delle nanoparticelle stesse, Bazant dice - molte migliaia di volte più grande. “È un effetto dipendente dalle dimensioni, " lui dice.

Il professore di scienza dei materiali del MIT Gerbrand Ceder ha osservato e scritto sul comportamento del litio ferro fosfato ad alti livelli di corrente l'anno scorso; Ora, L'analisi teorica di Bazant potrebbe portare a una comprensione più ampia non solo di questo materiale, ma anche di altri che possono subire cambiamenti simili.

Troy Farrel, professore associato di matematica presso la Queensland University of Technology in Australia, chi non era coinvolto in questo lavoro, afferma che questi risultati sono di grande importanza per coloro che fanno ricerca sulle batterie al litio. Aggiunge che questa nuova comprensione “consente agli scienziati dei materiali di sviluppare nuove strutture e composti che alla fine portano a batterie che hanno una vita più lunga e una maggiore densità di energia. Questo è ciò che è necessario se la tecnologia delle batterie deve essere utilizzata in applicazioni ad alta potenza come i veicoli elettrici”.

Capire perché il fosfato di ferro di litio funziona così bene è stato "uno dei più interessanti enigmi scientifici che ho incontrato, "Dice Bazant. "Ci sono voluti cinque anni per capirlo."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.