Uno dei nuovi tipi di batteria più promettenti per alimentare le auto elettriche è chiamato batteria al litio-aria, che potrebbe immagazzinare fino a quattro volte più energia per libbra delle migliori batterie agli ioni di litio di oggi. Ma i progressi sono stati lenti:la natura delle reazioni elettrochimiche quando queste batterie vengono caricate rimane poco conosciuta.

I ricercatori del MIT e dei Sandia National Laboratories hanno utilizzato l'imaging al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) per osservare, a livello molecolare, cosa succede durante una reazione chiamata evoluzione dell'ossigeno quando le batterie litio-aria si caricano; si pensa che questa reazione sia un collo di bottiglia che limita ulteriori miglioramenti a queste batterie. La tecnica TEM potrebbe aiutare a trovare modi per rendere pratiche tali batterie nel prossimo futuro.

Il lavoro è descritto in a Nano lettere carta di Robert Mitchell, che ha recentemente ricevuto un dottorato di ricerca in scienza e ingegneria dei materiali dal MIT; dottorando in ingegneria meccanica Betar Gallant; Carlo Thompson, il Professore Stavros Salapatas di Scienza e Ingegneria dei Materiali; Yang Shao-Corno, il professore associato Gail E. Kendall di ingegneria meccanica e scienza e ingegneria dei materiali; e altri quattro autori.

Ossidazione in azione

Le nuove osservazioni mostrano, per la prima volta, l'ossidazione del perossido di litio, il materiale formato durante la scarica in una batteria al litio-aria. Ad alte velocità di ricarica, questa ossidazione si verifica principalmente al confine tra il perossido di litio e il substrato di carbonio su cui cresce durante la scarica, in questo caso, nanotubi di carbonio multiparete utilizzati nell'elettrodo della batteria.

Il confinamento a questa interfaccia, Shao Horn dice, mostra che è la resistenza del perossido di litio a un flusso di elettroni che limita la carica di tali batterie in condizioni di carica pratica.

Una punta della sonda rivestita di elettrolita funge da elettrodo opposto per la rimozione degli ioni di litio durante la carica, mentre gli elettroni fluiscono attraverso la struttura dei nanotubi verso il circuito esterno. Durante la ricarica, le particelle di perossido di litio si restringono a partire dall'interfaccia nanotubo-perossido, mostrando che l'ossidazione si verifica dove è più facile rimuovere gli elettroni.

"Il trasporto del litio può tenere il passo, "Shao-Corno dice, il che indica che il trasporto di elettroni potrebbe essere un limite critico per la ricarica delle batterie dei veicoli elettrici.

Ricarica più veloce

Infatti, il tasso di ossidazione del perossido di litio in questi esperimenti era circa 100 volte più veloce del tempo di ricarica per le batterie litio-aria su scala di laboratorio, e si avvicina a ciò che è necessario per le applicazioni. Ciò dimostra che se le caratteristiche di trasferimento degli elettroni di queste batterie possono essere migliorate, potrebbe consentire una ricarica molto più rapida riducendo al minimo le perdite di energia.

"Questo fornisce approfondimenti su come progettare l'elettrodo ad aria, " Shao-Horn dice. "A nostra conoscenza, questa è la prima prova diretta che il trasporto di elettroni limita la carica".

Gallant afferma che questa scoperta suggerisce che le prestazioni della batteria litio-aria migliorerebbero se gli elettrodi avessero una struttura ad alta superficie per massimizzare il contatto tra il perossido di litio e il carbonio necessario per trasportare gli elettroni durante la carica.

Il "passo successivo molto critico, "Shao-Corno dice, sarà quello di misurare le correnti effettive durante la carica. Il suo team sta lavorando con i ricercatori dei Sandia National Laboratories, alcuni dei quali erano coautori di questo articolo.

Jie Xiao, un ricercatore del Pacific Northwest National Laboratory che non era coinvolto in questa ricerca, dice, "Questo lavoro ha identificato la condizione limitante chiave, trasporto di elettroni... fornendo un contributo fondamentale."

Xiao aggiunge, "Questo è un ottimo esempio di come la ricerca fondamentale possa migliorare significativamente la nostra comprensione per risolvere le sfide nei dispositivi pratici. Le informazioni fornite in questo documento andranno a beneficio della progettazione razionale dell'elettrodo ad aria delle batterie litio-aria. ... Questa ricerca è di alta qualità e attirerà ampio interesse".

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.