Un apparato utilizzato per caricare batterie a bottone agli ioni di litio a varie velocità con diversi livelli di corrente presso lo Stanford Institute for Materials Science and Engineering. I risultati indicano che i vantaggi dello scarico e della ricarica lenti potrebbero essere stati sopravvalutati. Credito:SLAC National Accelerator Laboratory
Uno sguardo completo su come si comportano le minuscole particelle in un elettrodo di una batteria agli ioni di litio mostra che la il lavoro di drenaggio rapido potrebbe non essere così dannoso come avevano pensato i ricercatori e che i vantaggi del drenaggio e della ricarica lenti potrebbero essere stati sopravvalutati.
I risultati mettono in discussione l'opinione prevalente secondo cui la "sovralimentazione" delle batterie è sempre più difficile sugli elettrodi della batteria rispetto alla ricarica a velocità inferiori, secondo i ricercatori della Stanford University e dello Stanford Institute for Materials &Energy Sciences (SIMES) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia.
Suggeriscono anche che gli scienziati potrebbero essere in grado di modificare gli elettrodi o cambiare il modo in cui le batterie vengono caricate per promuovere una carica e una scarica più uniformi e prolungare la durata della batteria.
"Il dettaglio fine di ciò che accade in un elettrodo durante la carica e la scarica è solo uno dei tanti fattori che determinano la durata della batteria, ma è uno che, fino a questo studio, non è stato adeguatamente compreso, " ha detto William Chueh di SIMES, un assistente professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Stanford e autore senior dello studio. "Abbiamo trovato un nuovo modo di pensare al degrado della batteria".
I risultati, Egli ha detto, può essere applicato direttamente a molti elettrodi di ossido e grafite utilizzati nelle odierne batterie commerciali agli ioni di litio e in circa la metà di quelle in fase di sviluppo.
Il suo team ha descritto lo studio il 14 settembre, 2014, in Materiali Naturali. Il team includeva collaboratori del Massachusetts Institute of Technology, Laboratori Nazionali Sandia, Samsung Advanced Institute of Technology America e Lawrence Berkeley National Laboratory.
Lo studente laureato della Stanford University Yiyang Li testa le batterie a bottone agli ioni di litio presso lo Stanford Institute for Materials &Energy Sciences. Li e i suoi colleghi hanno studiato come miliardi di nanoparticelle nell'elettrodo positivo della batteria rispondono a varie velocità di carica e scarica. I risultati mostrano che caricare e scaricare rapidamente la batteria potrebbe non essere così dannoso come si pensava in precedenza. Credito:SLAC National Accelerator Laboratory
Guardare gli ioni nelle sezioni della batteria
Un'importante fonte di usura della batteria è il rigonfiamento e il restringimento degli elettrodi negativi e positivi mentre assorbono e rilasciano ioni dall'elettrolita durante la carica e la scarica.
Per questo studio gli scienziati hanno esaminato un elettrodo positivo composto da miliardi di nanoparticelle di fosfato di ferro e litio. Se la maggior parte o tutte queste particelle partecipano attivamente alla carica e alla scarica, assorbiranno e rilasceranno gli ioni in modo più delicato e uniforme. Ma se solo una piccola percentuale di particelle assorbe tutti gli ioni, è più probabile che si rompano e si rovinino, degradando le prestazioni della batteria.
Studi precedenti hanno prodotto opinioni contrastanti su come si comportavano le nanoparticelle. Per sondare ulteriormente, i ricercatori hanno realizzato piccole batterie a bottone, caricarli con diversi livelli di corrente per vari periodi di tempo, li ha smontati rapidamente e ha sciacquato i componenti per interrompere il processo di carica/scarica. Quindi hanno tagliato l'elettrodo in fette estremamente sottili e le hanno portate al Berkeley Lab per l'esame con intensi raggi X dal sincrotrone Advanced Light Source, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.
Un ricercatore di Stanford/SLAC tiene l'elettrodo positivo di una batteria a bottone agli ioni di litio utilizzata negli esperimenti. Gli scienziati hanno caricato queste batterie con diversi livelli di corrente per vari periodi di tempo, li ha smontati e ha usato un brillante raggio di raggi X per vedere come la carica era distribuita tra miliardi di nanoparticelle nell'elettrodo positivo. Credito:SLAC National Accelerator Laboratory
Nuovi approfondimenti sulla scarica più rapida
"Siamo stati in grado di guardare migliaia di nanoparticelle di elettrodi alla volta e ottenere istantanee di loro in diverse fasi durante la carica e la scarica, ", ha detto Yiyang Li, studente laureato di Stanford, autore principale del rapporto. "Questo studio è il primo a farlo in modo completo, in molte condizioni di carica e scarica."
Analizzando i dati utilizzando un sofisticato modello sviluppato al MIT, i ricercatori hanno scoperto che solo una piccola percentuale di nanoparticelle ha assorbito e rilasciato ioni durante la carica, anche quando è stato fatto molto rapidamente. Ma quando le batterie si sono scaricate, è successa una cosa interessante:quando la velocità di scarico è aumentata oltre una certa soglia, sempre più particelle hanno iniziato ad assorbire ioni contemporaneamente, passare a una modalità più uniforme e meno dannosa. Ciò suggerisce che gli scienziati potrebbero essere in grado di modificare il materiale degli elettrodi o il processo per ottenere velocità di carica e scarica più elevate mantenendo una lunga durata della batteria.
Il prossimo passo, Li ha detto, consiste nel far passare gli elettrodi della batteria attraverso centinaia o migliaia di cicli per imitare le prestazioni del mondo reale. Gli scienziati sperano anche di scattare istantanee della batteria mentre si carica e si scarica, piuttosto che fermare il processo e smontarlo. Questo dovrebbe fornire una visione più realistica, e può essere eseguito su sincrotroni come ALS o Stanford Synchrotron Radiation Lightsource di SLAC, anche un DOE Office of Science User Facility. Li ha affermato che il gruppo ha anche lavorato con l'industria per vedere come questi risultati potrebbero essere applicati ai settori dei trasporti e dell'elettronica di consumo.
