Le batterie agli ioni di litio rilasciano elettricità mentre le reazioni elettrochimiche si diffondono attraverso i materiali attivi. Manipolare questo complesso processo e guidare le reazioni nel cuore ricco di energia di ogni parte di questi materiali attivi è fondamentale per ottimizzare la potenza e la capacità energetica finale di queste batterie.

Ora, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e gli istituti che collaborano hanno mappato questi percorsi di reazione su scala atomica e li hanno collegati alla velocità di scarica della batteria.

Contrariamente alle aspettative, una bassa velocità di scarica consente alle "dita" elettrochimiche di penetrare nel materiale dell'elettrodo e liberare l'energia immagazzinata attraverso un processo chiamato litiazione. Durante gli scarichi ad alta velocità, però, queste dita di litiazione penetrano lentamente strato per strato in modo molto più inefficiente.

"Questo sistema modello rivela l'interazione cruciale tra la velocità di scarica e il modello di litiazione, " ha detto Dong Su, che ha guidato la ricerca presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven Lab. "I modelli sottili che vediamo possono aiutarci a sviluppare architetture di batterie superiori che accelerano la penetrazione della litiazione e migliorano le prestazioni complessive".

Il lavoro è stato svolto presso CFN e National Synchrotron Light Source di Brookhaven Lab, e la sorgente luminosa a radiazione di sincrotrone di Stanford dello SLAC National Accelerator Laboratory, tutte strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Lo studio, pubblicato il 29 gennaio 2015, nel diario Nano lettere , include collaboratori della Cornell University, Scuola di miniere del Colorado, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, Stony Brook University, e il Massachusetts Institute of Technology.

"L'uso iniziale di questi materiali per elettrodi in ossido di nichel per immagazzinare e scaricare energia aiuta effettivamente a determinare le prestazioni future del materiale, " disse Kai He, il primo autore e un borsista post-dottorato che lavora al CFN. "Il processo di scarico inizia vicino alla superficie, e poi si sposta all'interno attraverso le "dita" per sbloccare la piena capacità del materiale. La cosa bella è che siamo stati in grado di vedere questa transizione accadere per la prima volta".

Dita "striscianti"

Lo studio ha dimostrato che in questi materiali possono verificarsi diversi percorsi di reazione. Sebbene le reazioni superficiali si muovano rapidamente, non penetrano in profondità nel materiale, quindi questo percorso di reazione può contribuire solo in piccola parte alla capacità energetica complessiva e all'uscita della batteria.

"Col tempo, la reazione vicina alla superficie si propaga uniformemente dalla superficie esterna di ciascuna nanoparticella verso l'interno da tutte le direzioni - questo è ciò che chiamiamo modalità del nucleo di contrazione - ma può essere eccezionalmente lenta, " Ha detto. "Quella capacità interiore rimane per lo più intatta fino a quando non si formano le dita di litation".

Queste dita di nucleazione si diffondono quindi in modo molto simile alle radici degli alberi che strisciano attraverso il terreno ricco di energia, sbloccando l'elettricità mentre vanno.

"Ci aspettavamo che questo processo si verificasse molto più velocemente durante gli scarichi ad alta velocità, ma abbiamo scoperto che è vero il contrario, " Su ha detto. "Alti tassi si diffondono sulla superficie del materiale, ma poi si blocca improvvisamente. A basse velocità di scarico, però, le dita penetranti si formarono rapidamente e aprirono la strada alla stabilità, uso ad alta capacità."

Le dita di litation, la chiave per sbloccare la piena capacità, richiedono un tempo di incubazione fisso per formarsi e crescere, che stabilisce un limite temporale per un efficiente, accumulo di energia ad alta velocità nelle batterie agli ioni di litio.

Ha detto il coautore dello studio Feng Lin, uno scienziato dei materiali presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, "Abbiamo scelto di eseguire il nostro studio utilizzando materiali in nanoscala di ossido di nichel dal design unico. Questi materiali sono in qualche modo bidimensionali, e fornire orientamenti cristallini chiari per l'osservazione sperimentale e la modellazione teorica. Ci aspettiamo che fenomeni simili siano applicabili ad altri materiali per elettrodi correlati".

Sonde per raggi X ed elettroni

La collaborazione ha combinato i dati della microscopia elettronica, spettroscopia a raggi X, e modellazione computazionale.

"Abbiamo usato fasci di elettroni focalizzati su una dimensione di 1 Angstrom (10-10 metri) per mappare i percorsi fisici di queste reazioni, "ha detto Eric Stach, che è coautore di questo articolo e guida il gruppo di microscopia elettronica del CFN. "Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione, abbiamo realizzato filmati in tempo reale degli schemi della litiazione. Questo ci ha permesso di visualizzare direttamente come avviene questo processo su scala nanometrica. Abbiamo anche caratterizzato i campioni di ioni di litio dopo la scarica per mappare ulteriormente i cambiamenti strutturali e chimici con la tomografia elettronica tridimensionale".

Questi dati sono stati corroborati da studi di spettroscopia a raggi X condotti presso la National Synchrotron Light Source di Brookhaven e la Stanford Synchrotron Light Source di SLAC Lab.

Gli studi a raggi X hanno monitorato quantitativamente i cambiamenti chimici all'interno dei campioni, rivelando i tassi di reazioni di litiazione e la struttura chimica in evoluzione. I modelli computazionali hanno quindi aiutato a interpretare questi dati ea spiegare il legame elettrochimico tra la velocità di scarica e la propagazione della reazione.

"La gamma di talenti, competenza, e gli strumenti dei laboratori di tutto il paese ci consentono di ottenere un ritratto completo dell'intera reazione a tutte le scale di lunghezza pertinenti, collegare l'elettrochimica e il meccanismo di reazione con le nanostrutture, " disse.

I ricercatori intendono applicare questa stessa metodologia a più sistemi e ampliarne l'uso come guida per nuovi, ingegneria delle batterie ad alte prestazioni.