Lo scienziato del Michigan Tech Reza Shahbazian-Yassar ha sviluppato un metodo per osservare gli ioni di litio in azione all'interno di una nanobatteria, una svolta che potrebbe portare a batterie migliori. Al di sopra, (un), la configurazione della nanobatteria all'interno del microscopio elettronico a trasmissione a scansione con correzione dell'aberrazione. Sotto, (B), imaging a risoluzione atomica della prima linea di ioni di litio che entrano in un nanofilo di ossido di stagno. Le immagini a risoluzione atomica mostrano i canali paralleli agli ioni di litio e la formazione di dislocazioni sulla punta dei canali. Credito:Reza Shahbazian-Yassar
(Phys.org) —Le batterie agli ioni di litio sono il cuore energetico di quasi tutte le cose tecnologiche, dai cellulari ai tablet ai veicoli elettrici. Questo perché sono una tecnologia collaudata, leggero, duraturo e potente. Ma non sono perfetti.
"Potresti ottenere sette o otto ore dal tuo iPhone con una sola carica, forse un giorno, "dice Reza Shahbazian-Yassar, professore associato di ingegneria meccanica presso la Michigan Technological University. "Questo non è abbastanza per molti di noi. Un'auto completamente elettrica, come la Nissan Leaf, può percorrere fino a 100 miglia con una singola carica. Per fare appello a un mercato di massa, dovrebbero essere circa 300 miglia. Vogliamo aumentare la potenza di questi sistemi".
Per estrarre più energia dalle batterie agli ioni di litio, gli scienziati stanno sperimentando diversi materiali e design. Però, l'azione importante in una batteria avviene a livello atomico, ed è stato praticamente impossibile scoprire esattamente cosa sta succedendo su tale scala. Ora, Yassar ha sviluppato un dispositivo che consente ai ricercatori di intercettare i singoli ioni di litio e potenzialmente sviluppare la prossima generazione di batterie.
Le batterie sono piuttosto semplici. Hanno tre componenti principali:un anodo, un catodo e un elettrolita tra i due. Nelle batterie al litio, gli ioni di litio viaggiano avanti e indietro tra l'anodo e il catodo mentre la batteria si scarica e viene ricaricata. Gli anodi delle batterie agli ioni di litio sono generalmente realizzati in grafite, ma gli scienziati stanno testando altri materiali per vedere se possono durare più a lungo.
"Non appena il litio entra in un elettrodo, sollecita il materiale, con conseguente fallimento, " ha detto Yassar. "Ecco perché molti di questi materiali possono essere in grado di contenere molto litio, ma finiscono per rompersi rapidamente.
"Se fossimo in grado di osservare questi cambiamenti nell'elettrodo ospite, in particolare nella fase iniziale della ricarica, potremmo escogitare strategie per risolvere questo problema".
Dieci anni fa, osservare elementi leggeri come il litio o l'idrogeno a livello atomico sarebbe stato fuori discussione. Ora, però, è possibile vedere gli atomi di luce con un microscopio elettronico a trasmissione a scansione con correzione dell'aberrazione (AC-STEM). Il team di Yassar è stato in grado di utilizzare una cortesia dell'Università dell'Illinois a Chicago, dove è professore associato in visita.
Per determinare come cambia l'elettrodo ospite quando gli ioni di litio vi entrano, il team ha costruito una nano-batteria all'interno del microscopio AC-STEM utilizzando un nuovo materiale per elettrodi promettente, ossido di stagno, o SnO2. Quindi, l'hanno visto caricare.
"Volevamo monitorare i cambiamenti nell'ossido di stagno proprio alla frontiera del movimento degli ioni di litio all'interno dell'elettrodo SnO2, e lo abbiamo fatto, " Ha detto Yassar. "Siamo stati in grado di osservare come i singoli ioni di litio entrano nell'elettrodo".
Gli ioni di litio si muovevano lungo canali specifici mentre scorrevano nei cristalli di ossido di stagno invece di camminare casualmente negli atomi ospiti. Sulla base di tali dati, i ricercatori sono stati in grado di calcolare la tensione che gli ioni stavano mettendo sugli elettrodi.
La scoperta ha suscitato richieste da parte di industrie e laboratori nazionali interessati a utilizzare la sua capacità di risoluzione atomica nel proprio lavoro di sviluppo delle batterie.
"È molto eccitante, " Yassar ha detto. "Ci sono così tante opzioni per gli elettrodi, e ora abbiamo questo nuovo strumento che può dirci esattamente cosa sta succedendo con loro. Prima, non potevamo vedere cosa stava succedendo; stavamo solo indovinando".
