Nuove osservazioni dei ricercatori del MIT hanno rivelato il funzionamento interno di un tipo di elettrodo ampiamente utilizzato nelle batterie agli ioni di litio. Le nuove scoperte spiegano la potenza inaspettatamente elevata e il lungo ciclo di vita di tali batterie, dicono i ricercatori.

I risultati appaiono in un articolo sulla rivista Nano lettere co-autore del postdoc del MIT Jun Jie Niu, ricercatore Akihiro Kushima, professori Yet-Ming Chiang e Ju Li, e altri tre.

Il materiale degli elettrodi studiato, litio ferro fosfato (LiFePO4), è considerato un materiale particolarmente promettente per le batterie ricaricabili a base di litio; è già stato dimostrato in applicazioni che vanno dagli utensili elettrici ai veicoli elettrici fino allo stoccaggio in rete su larga scala. I ricercatori del MIT hanno scoperto che all'interno di questo elettrodo, durante la ricarica, una zona a soluzione solida (SSZ) si forma al confine tra le aree ricche di litio e quelle povere di litio, la regione in cui si concentra l'attività di carica, quando gli ioni di litio vengono estratti dall'elettrodo.

Li dice che questo SSZ "è stato teoricamente previsto che esistesse, ma lo vediamo direttamente per la prima volta, " nei video al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) ripresi durante la carica.

Le osservazioni aiutano a risolvere un enigma di vecchia data su LiFePO4:in forma di cristalli sfusi, sia litio ferro fosfato che ferro fosfato (FePO4, che viene lasciato quando gli ioni di litio migrano dal materiale durante la carica) hanno conduttività ioniche ed elettriche molto scarse. Tuttavia, quando trattati, con drogaggio e rivestimento in carbonio, e utilizzati come nanoparticelle in una batteria, il materiale mostra una velocità di carica straordinariamente elevata. "È stato abbastanza sorprendente quando è stata dimostrata per la prima volta questa [rapida velocità di carica e scarica], "Li dice.

"Abbiamo osservato direttamente una soluzione solida casuale metastabile che potrebbe risolvere questo problema fondamentale che ha incuriosito [gli scienziati dei materiali] per molti anni, "dice Li, il professore di scienza e ingegneria nucleare della Battelle Energy Alliance e professore di scienza e ingegneria dei materiali.

La SSZ è uno stato "metastabile", persistendo per almeno alcuni minuti a temperatura ambiente. Sostituzione di un'interfaccia netta tra LiFePO4 e FePO4 che ha dimostrato di contenere molti difetti di linea aggiuntivi chiamati "dislocazioni, " la SSZ funge da cuscinetto, riducendo il numero di dislocazioni che altrimenti si muoverebbero con il fronte di reazione elettrochimica. "Non vediamo dislocazioni, " dice Li. Questo potrebbe essere importante perché la generazione e l'immagazzinamento di dislocazioni può causare affaticamento e limitare la vita del ciclo di un elettrodo.

A differenza dell'imaging TEM convenzionale, la tecnica utilizzata in questo lavoro, sviluppato nel 2010 da Kushima e Li, consente di osservare i componenti della batteria mentre si caricano e si scaricano, che possono rivelare processi dinamici. "Negli ultimi quattro anni, c'è stata una grande esplosione nell'uso di tali tecniche TEM in situ per studiare le operazioni delle batterie, "Li dice.

Una migliore comprensione di questi processi dinamici potrebbe migliorare le prestazioni di un materiale per elettrodi consentendo una migliore regolazione delle sue proprietà, Li dice.

Nonostante una comprensione incompleta fino ad oggi, le nanoparticelle di litio ferro fosfato sono già utilizzate su scala industriale per batterie agli ioni di litio, Li spiega. "La scienza è in ritardo rispetto all'applicazione, " dice. "E 'già ingrandito e abbastanza successo sul mercato. È una delle storie di successo della nanotecnologia".

"Rispetto ai tradizionali ioni di litio, [fosfato di ferro di litio] è rispettoso dell'ambiente, e molto stabile, " dice Niu. "Ma è importante che questo materiale sia ben compreso."

Mentre la scoperta della SSZ è stata fatta in LiFePO4, Li dice, "Lo stesso principio può essere applicato ad altri materiali per elettrodi. Le persone sono alla ricerca di materiali per elettrodi ad alta potenza, e tali stati metastabili potrebbero esistere in altri materiali elettrodici che sono inerti in forma sfusa. … Il fenomeno scoperto potrebbe essere molto generale, e non specifico per questo materiale."

Chongmin Wang, un ricercatore presso il Pacific Northwest National Laboratory che non era coinvolto in questa ricerca, chiama questo documento "grande lavoro".

"Sono stati proposti diversi modelli basati su lavori sia teorici che sperimentali, " dice Wang. "Tuttavia, nessuno di loro sembra essere conclusivo."

Questa nuova ricerca, lui dice, "fornisce prove convincenti e dirette" del meccanismo in atto:"Il lavoro è un importante passo avanti per spingere le ambiguità verso il favore di un modello di soluzione solido".

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.