Chiunque possieda un dispositivo elettronico sa che le batterie agli ioni di litio potrebbero funzionare meglio e durare più a lungo. Ora, gli scienziati che esaminano i materiali delle batterie su nanoscala rivelano come il nichel formi una barriera fisica che impedisce lo spostamento degli ioni di litio nell'elettrodo, riducendo la velocità con cui i materiali si caricano e scaricano. Pubblicato la scorsa settimana in Nano lettere , la ricerca suggerisce anche un modo per migliorare i materiali.

I ricercatori, guidato da Chongmin Wang del Dipartimento dell'Energia del Pacific Northwest National Laboratory, ha creato immagini 3D ad alta risoluzione di materiali per elettrodi realizzati con nanoparticelle stratificate di ossido di litio-nichel-manganese, mappatura dei singoli elementi. Queste mappe hanno mostrato che il nichel ha formato grumi in determinati punti delle nanoparticelle. Una vista a maggiore ingrandimento mostrava il nichel che bloccava i canali attraverso i quali gli ioni di litio normalmente viaggiano quando le batterie vengono caricate e scaricate.

"Siamo rimasti sorpresi nel vedere il nichel segregare selettivamente come ha fatto. Quando gli ioni di litio in movimento hanno colpito lo strato ricco di nichel segregato, incontrano essenzialmente una barriera che sembra rallentarli, " ha detto Wang, uno scienziato dei materiali con sede all'EMSL, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, una struttura per gli utenti DOE nel campus del PNNL. "Il blocco si forma nel processo di fabbricazione, e vorremmo trovare un modo per prevenirlo".

Gli ioni di litio sono atomi caricati positivamente che si muovono tra gli elettrodi negativi e positivi quando una batteria viene caricata o è in uso. Essenzialmente catturano o rilasciano gli elettroni caricati negativamente, il cui movimento attraverso un dispositivo come un laptop forma la corrente elettrica.

Negli elettrodi all'ossido di litio-manganese, gli atomi di manganese e ossigeno formano file come un campo di stocchi. Nei canali tra gli steli, gli ioni di litio sfrecciano verso gli elettrodi su entrambe le estremità, la direzione a seconda che la batteria sia in uso o in carica.

I ricercatori sanno da tempo che l'aggiunta di nichel migliora la quantità di energia che l'elettrodo può contenere, qualità della batteria note come capacità e tensione. Ma gli scienziati non hanno capito perché la capacità diminuisce dopo un uso ripetuto, una situazione che i consumatori sperimentano quando una batteria in esaurimento mantiene la carica per sempre meno tempo.

Per scoprirlo, Wang, lo scienziato dei materiali Meng Gu e i suoi collaboratori hanno utilizzato la microscopia elettronica presso l'EMSL e il Centro nazionale per la microscopia elettronica presso il Lawrence Berkeley National Laboratory per vedere come sono disposti i diversi atomi nei materiali degli elettrodi prodotti dai ricercatori dell'Argonne National Laboratory. Gli elettrodi erano basati su nanoparticelle realizzate con litio, nichel, e ossidi di manganese.

Primo, il team ha scattato immagini ad alta risoluzione che mostravano chiaramente file di atomi separati da canali pieni di ioni di litio. Sulla superficie, videro l'accumulo di nichel alle estremità delle file, essenzialmente bloccando il litio dal muoversi dentro e fuori.

Per scoprire come si distribuisce lo strato superficiale sopra e all'interno dell'intera nanoparticella, il team ha utilizzato una tecnica chiamata mappatura della composizione tridimensionale. Utilizzando una nanoparticella di circa 200 nanometri di dimensione, hanno preso 50 immagini dei singoli elementi mentre inclinano la nanoparticella a vari angoli. Il team ha ricostruito una mappa tridimensionale dalle singole mappe elementali, rivelando macchie di nichel su uno sfondo di ossido di litio-manganese.

La distribuzione tridimensionale del manganese, atomi di ossigeno e litio lungo la superficie e all'interno della particella erano relativamente uniformi. Il nichel, però, parcheggiato in piccole aree in superficie. Internamente, il nichel si ammassava sui bordi di regioni più piccole chiamate grani.

Per esplorare il motivo per cui il nichel si aggrega su determinate superfici, il team ha calcolato la facilità con cui il nichel e il litio hanno viaggiato attraverso i canali. Il nichel si muoveva più facilmente su e giù per i canali rispetto al litio. Mentre il nichel risiede normalmente all'interno delle treccine di ossido di manganese, a volte scivola nei canali. E quando lo fa, questa analisi ha mostrato che scorre molto più facilmente attraverso i canali fino alla fine del campo, dove si accumula e forma un blocco.

I ricercatori hanno utilizzato una varietà di metodi per realizzare le nanoparticelle. Wang ha detto che più a lungo le nanoparticelle sono rimaste ad alta temperatura durante la fabbricazione, più nichel è segregato e più povere sono le particelle eseguite nei test di carica e scarica. Hanno in programma di fare esperimenti più strettamente controllati per determinare se un particolare metodo di produzione produce un elettrodo migliore.

Questo lavoro è stato supportato dalla Chemical Imaging Initiative del PNNL.