Utilizzando un nuovo metodo per tracciare le reazioni elettrochimiche in un comune materiale per batterie di veicoli elettrici in condizioni operative, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno rivelato nuove informazioni sul motivo per cui la ricarica rapida inibisce le prestazioni di questo materiale. Lo studio fornisce anche la prima prova sperimentale diretta a supporto di un particolare modello della reazione elettrochimica. I risultati, pubblicato il 4 agosto 2014, in Comunicazioni sulla natura , potrebbe fornire una guida per informare gli sforzi dei produttori di batterie per ottimizzare i materiali per batterie a ricarica più rapida con capacità maggiore.
"Il nostro lavoro si è concentrato sullo sviluppo di un metodo per tenere traccia dei cambiamenti strutturali ed elettrochimici su scala nanometrica mentre il materiale della batteria si caricava, " ha detto il fisico di Brookhaven Jun Wang, che ha condotto la ricerca. Il suo gruppo era particolarmente interessato alla mappatura chimica di ciò che accade nel fosfato di ferro di litio, un materiale comunemente usato nel catodo, o elettrodo positivo, di batterie per veicoli elettrici, come la batteria carica. "Volevamo catturare e monitorare la trasformazione di fase che avviene nel catodo quando gli ioni di litio si spostano dal catodo all'anodo, " lei disse.
Ottenere il maggior numero possibile di ioni di litio per passare dal catodo all'anodo attraverso questo processo, noto come delizio, è la chiave per ricaricare la batteria alla sua massima capacità in modo che sia in grado di fornire energia per il periodo di tempo più lungo possibile. Comprendere i sottili dettagli del motivo per cui ciò non sempre accade potrebbe in definitiva portare a modi per migliorare le prestazioni della batteria, consentendo ai veicoli elettrici di viaggiare più lontano prima di dover essere ricaricati.
Imaging a raggi X e fingerprinting chimico
Molti metodi precedenti utilizzati per analizzare tali materiali della batteria hanno prodotto dati che mediano gli effetti sull'intero elettrodo. Questi metodi mancano della risoluzione spaziale necessaria per la mappatura chimica o l'imaging su nanoscala, ed è probabile che trascurino possibili effetti su piccola scala e differenze locali all'interno del campione, Wang ha spiegato.
Per migliorare questi metodi, la squadra di Brookhaven ha usato una combinazione di campo pieno, microscopia a raggi X a trasmissione a risoluzione nanometrica (TXM) e spettroscopia near-edge di assorbimento di raggi X (XANES) presso la National Synchrotron Light Source (NSLS), un DOE Office of Science User Facility che fornisce fasci di raggi X ad alta intensità per studi in molte aree della scienza. Questi raggi X possono penetrare nel materiale per produrre sia immagini ad alta risoluzione che dati spettroscopici, una sorta di "impronta digitale" elettrochimica che rivela, pixel per pixel, dove gli ioni di litio rimangono nel materiale, dove sono stati rimossi lasciando solo fosfato di ferro, e altri dettagli elettrochimici potenzialmente interessanti.
Gli scienziati hanno utilizzato questi metodi per analizzare campioni costituiti da più particelle su nanoscala in un vero elettrodo di batteria in condizioni operative (in operando). Ma poiché possono esserci molte sovrapposizioni di particelle in questi campioni, hanno anche condotto lo stesso studio operando utilizzando quantità inferiori di materiale per elettrodi rispetto a quelle che si troverebbero in una batteria tipica. Ciò ha permesso loro di ottenere ulteriori informazioni su come procede la reazione di delitiazione all'interno delle singole particelle senza sovrapposizioni. Hanno studiato ogni sistema (multiparticelle e singole particelle) in due diversi scenari di ricarica:rapida (come si arriva a una stazione di ricarica per veicoli elettrici), e lento (utilizzato quando si collega il veicolo a casa durante la notte).
Informazioni sul motivo per cui la velocità di ricarica è importante
Queste immagini animate di singole particelle, presa mentre l'elettrodo è in carica, mostrano che le fasi di fosfato di ferro litiato (rosso) e delitiato (verde) coesistono all'interno delle singole particelle. Questa scoperta supporta direttamente un modello in cui la trasformazione di fase procede da una fase all'altra senza l'esistenza di una fase intermedia.
Le immagini dettagliate e le informazioni spettroscopiche rivelano informazioni senza precedenti sul motivo per cui la ricarica rapida riduce la capacità della batteria. Alla velocità di ricarica rapida, le immagini pixel per pixel mostrano che la trasformazione da fosfato di ferro litiato a delitiato procede in modo disomogeneo. Questo è, in alcune regioni dell'elettrodo, tutti gli ioni di litio vengono rimossi lasciando solo il fosfato di ferro, mentre le particelle in altre aree non mostrano alcun cambiamento, mantenendo i loro ioni di litio. Anche nello stato "completamente carico", alcune particelle trattengono il litio e la capacità dell'elettrodo è ben al di sotto del livello massimo.
"Questa è la prima volta che qualcuno è stato in grado di vedere che la delitiazione stava avvenendo in modo diverso in diverse posizioni spaziali su un elettrodo in condizioni di carica rapida, "Ha detto Jun Wang.
Ricarica più lenta, in contrasto, si traduce in una delitiazione omogenea, dove le particelle di fosfato di ferro e litio in tutto l'elettrodo si trasformano gradualmente in fosfato di ferro puro e l'elettrodo ha una capacità maggiore.
Implicazioni per una migliore progettazione della batteria
Gli scienziati sanno da tempo che la ricarica lenta è migliore per questo materiale, "ma la gente non vuole caricare lentamente, " ha detto Jiajun Wang, l'autore principale dell'articolo. "Anziché, vogliamo sapere perché la ricarica rapida offre una capacità inferiore. I nostri risultati offrono indizi per spiegare perché, e potrebbe fornire una guida al settore per aiutarli a sviluppare una futura batteria a carica rapida/alta capacità, " Egli ha detto.
Per esempio, la trasformazione di fase può avvenire in modo più efficiente in alcune parti dell'elettrodo rispetto ad altre a causa di incongruenze nella struttura fisica o nella composizione dell'elettrodo, ad esempio, il suo spessore o quanto è poroso. "Quindi, invece di concentrarci solo sulle caratteristiche individuali dei materiali della batteria, i produttori potrebbero voler esaminare i modi per preparare l'elettrodo in modo che tutte le sue parti siano uguali, quindi tutte le particelle possono essere coinvolte nella reazione invece di solo alcune, " Egli ha detto.
Lo studio delle singole particelle ha anche rilevato, per la prima volta, la coesistenza di due fasi distinte:ferro fosfato litiato e delitiato, o puro, fosfato di ferro all'interno di singole particelle. Questa scoperta conferma un modello della trasformazione della fase di delithiation, vale a dire che procede da una fase all'altra senza l'esistenza di una fase intermedia.
"Queste scoperte forniscono la base fondamentale per lo sviluppo di materiali per batterie migliorati, " ha detto Jun Wang. "Inoltre, questo lavoro dimostra la capacità unica di applicare l'imaging su nanoscala e le tecniche spettroscopiche nella comprensione dei materiali delle batterie con un meccanismo complesso in condizioni operative reali della batteria".
Il documento rileva che questo approccio in operando potrebbe essere applicato in altri campi, come studi su celle a combustibile e catalizzatori, e nelle scienze ambientali e biologiche.
Studi futuri che utilizzano queste tecniche presso NSLS-II-che produrranno raggi X 10, 000 volte più luminosi di quelli di NSLS, avranno una risoluzione ancora maggiore e forniranno una visione più approfondita delle caratteristiche fisiche ed elettrochimiche di questi materiali, consentendo così agli scienziati di chiarire ulteriormente in che modo tali proprietà influiscono sulle prestazioni.
