Un nuovo metodo sviluppato per studiare i guasti delle batterie indica il potenziale passo successivo nell'estensione della durata e della capacità delle batterie agli ioni di litio, aprendo la strada a un uso più ampio di queste batterie in combinazione con fonti di energia rinnovabile

Le batterie agli ioni di litio alimentano i dispositivi mobili e le auto elettriche e aiutano a immagazzinare energia da fonti rinnovabili, ancora fonti di energia intermittenti come l'eolico e il solare. Ma molti cicli di carica e scarica portano a guasti della batteria e perdita di capacità, limitandone la vita utile.

Una nuova tecnica a raggi X utilizzata presso l'Advanced Photon Source del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha rivelato dinamiche sorprendenti nella nanomeccanica delle batterie in funzione e suggerisce un modo per mitigare i guasti delle batterie riducendo al minimo la generazione di energia elastica.

Gli ioni di litio deformano il materiale mentre si spostano tra gli elettrodi e possono persino alterarne la struttura, che portano a difetti. I progetti per elettrodi più resilienti si baseranno sulla comprensione fondamentale delle interazioni tra ioni di litio ed elettrodi all'interno della struttura di una batteria. Ma fino ad ora gli scienziati non sono stati in grado di caratterizzare sufficientemente il comportamento delle singole nanoparticelle nelle batterie in condizioni operative reali.

Utilizzando l'imaging diffrattivo a raggi X coerente, un team di ricercatori per l'APS, l'Università della California-San Diego, SLAC National Accelerator Laboratory e il Center for Free-Electron Laser Science hanno mappato la deformazione tridimensionale nelle singole nanoparticelle all'interno degli elettrodi delle batterie a bottone funzionanti, come quelli che si trovano negli orologi. In un articolo recentemente pubblicato su Nano lettere , il team ha riportato prove che la storia dei cicli di carica altera i modelli di deformazione nelle singole particelle del materiale dell'elettrodo.

Questo nuovo approccio aiuterà a rivelare i processi fondamentali alla base del trasferimento di carica elettrica, intuizioni che potrebbero aiutare a guidare la progettazione di batterie economiche con una vita utile più lunga.

Questa scoperta è stata resa possibile solo dalla possibilità di estendere l'uso del CDI per studiare il ciclo delle batterie in condizioni operative lette.

L'APS è uno dei pochi luoghi in cui è possibile fare questa ricerca.

"Bragg Coherent Diffraction imaging (Bragg-CDI) è una tecnica che utilizza solo la parte coerente del fascio. Inoltre, può individuare singoli nanocristalli in base alla loro struttura cristallina, e tracciare l'evoluzione della deformazione all'interno della nanostruttura mentre l'intera batteria viene ciclata", ha affermato Ross Harder, un autore sulle carte e fisico dei raggi X presso l'APS. "L'elevata brillantezza dell'APS alle alte energie dei fotoni è un requisito necessario per perseguire questo tipo di ricerca sulle singole nanoparticelle all'interno della loro matrice intatta. L'aggiornamento APS con consentirà di guardare sistemi su nanoscala di questa natura complessa con ordini di grandezza maggiore velocità , sensibilità e risoluzione, " ha detto Jörg Maser, coautore degli articoli e fisico radiografico presso l'APS.

Questo lavoro è stato finanziato dal DOE Office of Science e dall'Interdisciplinary Collaborators Award del Cancelliere della UC San Diego. L'APS è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso l'Argonne National Laboratory.

Hyung-Man Cho e Jong Woo Kim, studenti laureati in scienze e ingegneria dei materiali presso UC-Davis, Jörg Maser e Ross Harder dell'Argonne National Laboratory e Jesse Clark del SLAC National Accelerator Laboratory hanno contribuito a questo lavoro, diretto da UC-Davis Shirley Meng, professore di nanoingegneria e Oleg Shpyrko professore di fisica.