(Phys.org) — Finestre intelligenti ad alta tecnologia, " che si scuriscono per filtrare la luce solare in risposta alla corrente elettrica, funzionano in modo molto simile alle batterie. Ora, Gli studi sui raggi X presso lo SLAC forniscono una visione cristallina di come si comporta il materiale che cambia colore in queste finestre in una batteria funzionante - informazioni che potrebbero avvantaggiare le batterie ricaricabili di prossima generazione.

I ricercatori hanno installato fogli ultrasottili di materiale per finestre intelligenti, ossido di nichel, come l'anodo di una batteria agli ioni di litio, e ha utilizzato la sorgente di luce di radiazione di sincrotrone Stanford di SLAC (SSRL) e le apparecchiature di altri laboratori per studiarne la chimica mutevole e le caratteristiche 3D.

"Abbiamo spostato la nostra attenzione dal cambiare il colore di questi materiali all'usarli per immagazzinare ioni di litio, ma il principio è lo stesso " ha detto Feng Lin del Lawrence Berkeley National Laboratory, autore principale dello studio, pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

Le finestre intelligenti hanno più strati di vetro che racchiudono film ultrasottili o rivestimenti di materiali in nanocristalli, come l'ossido di nichel. Quando viene applicato un piccolo campo elettrico, la carica si sposta attraverso il vetro fino al materiale ultrasottile, che funge da elettrodo, e la finestra da chiara diventa buia.

Studi precedenti hanno scoperto che l'interazione di questi materiali sottili specializzati con il vetro circostante provoca cambiamenti strutturali che facilitano il flusso di carica elettrica attraverso il vetro, una proprietà benefica anche per le batterie.

In questo studio, che utilizza l'ossido di nichel come elettrodo della batteria, i ricercatori sono stati in grado di vedere per la prima volta esattamente cosa succede quando gli ioni di litio della batteria entrano in contatto con lo strato di ossido di nichel e come la reazione risultante si diffonde da diversi punti.

"Inizia come un seme, " disse Tsu-Chien Weng, uno scienziato dello staff della SSRL che ha collaborato alla ricerca. "Poi ci sono diversi fronti per la reazione, e alla fine si forma una struttura metallica."

Inoltre, i ricercatori hanno osservato come la superficie del materiale di ossido di nichel "respira" mentre la batteria si carica e si scarica.

"Abbiamo trovato questo strato che cresce sulla superficie, costruire, " ha detto Dennis Nordlund, uno scienziato del personale della SSRL che ha partecipato alla ricerca. "Poi lo strato scompare. Scompare quasi completamente. È come uno strato che respira. Non è necessariamente specifico per l'ossido di nichel, e ha ampie implicazioni per i materiali delle batterie".

Questo accumulo ciclico di depositi dall'elettrolita, di solito indicato come interfaccia elettrodo-elettrolita, è parte integrante della maggior parte dei materiali delle batterie, ma è stato "un po' un mistero, "Nordlund ha detto, poiché è generalmente difficile da studiare durante il funzionamento di una batteria.

In una tipica batteria agli ioni di litio, gli ioni di litio carichi migrano attraverso una soluzione chimica - l'elettrolita - nell'anodo quando la batteria è in carica e nell'elettrodo opposto, chiamato catodo, quando la batteria si sta scaricando.

Poiché lo strato respiratorio osservato sul materiale di ossido di nichel si accumula ma poi scompare, potrebbe potenzialmente limitare la crescita di "dendriti, " dita simili ad alberi di litio che sono note per formarsi su altri tipi di materiali per batterie e comprometterne le prestazioni.

"Se puoi pedalare ed eliminare lo strato in modo che non si accumuli nel tempo, sarebbe un enorme passo avanti, " ha detto Nordlund.

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica nota come spettroscopia di assorbimento a raggi X presso SSRL per sondare il materiale di ossido di nichel a profondità di circa 5 e 50 nanometri, o miliardesimi di metro, durante il funzionamento della batteria.

"Si scopre che queste diverse profondità di sondaggio sono perfettamente adatte per studiare la struttura elettronica sulla superficie dei materiali delle batterie, "Nordlund ha detto, aggiungendo che queste capacità di SSRL aprono una finestra per esplorare molti materiali in stati attivi. "Ci sentiamo davvero in una posizione unica per affrontare molti problemi diversi nella scienza dell'energia utilizzando questa stessa metodologia".

Gli strumenti esplorativi a raggi X presso lo SLAC e altri laboratori che collaborano sono stati fondamentali per comprendere le proprietà del materiale di ossido di nichel su scala nanometrica, ha detto Ryan Richards, un professore di chimica presso la Colorado School of Mines che è stato coinvolto nello studio.

"Abbiamo presentato una serie di proposte per esaminare diversi tipi di materiali:come si formano e quali proprietà hanno le loro superfici, " ha detto Richards. Ha detto che la sua collaborazione in corso con lo staff della SSRL "sta davvero sbocciando in un bel rapporto".

I risultati di SSRL sono stati accoppiati con altri risultati di collaboratori, comprese immagini 3D dettagliate e filmati prodotti al Brookhaven National Laboratory. Huolin Xin del Brookhaven Lab ha riunito il gruppo di ricerca, che includeva anche scienziati del National Renewable Energy Laboratory e della Monash University in Australia.