La maggior parte delle persone vede i difetti come difetti. Alcuni ricercatori della Michigan Technological University, però, vederli come opportunità. Confini gemelli, che sono piccoli, difetti simmetrici nei materiali:possono rappresentare un'opportunità per migliorare le batterie agli ioni di litio. I doppi difetti di confine fungono da autostrade energetiche e potrebbero aiutare a ottenere prestazioni migliori dalle batterie.

Questa constatazione, pubblicato in Nano lettere all'inizio di quest'anno, capovolge una nozione precedente di difetti materiali. Reza Shahbazian-Yassar ha contribuito a guidare lo studio e ha un incarico congiunto presso la Michigan Tech come professore associato Richard &Elizabeth Henes in nanotecnologia e professore associato aggiunto in scienza e ingegneria dei materiali. Anmin Nie, un ricercatore postdottorato senior nel suo gruppo, condotto lo studio.

Nie dice che i difetti materiali, compresi i confini gemelli, sono presenti in natura e la maggior parte della ricerca passata si è concentrata sulla loro rimozione dai materiali.

"Osserviamo la nanostruttura dei materiali delle batterie che sono là fuori, " spiega. "Abbiamo notato alcuni difetti, come i confini gemelli, che esistono in questi materiali possono essere buoni canali che ci aiuteranno a trasportare gli ioni di litio".

Quel movimento di ioni è la chiave per migliorare, batterie più potenti.

Come funzionano le batterie agli ioni di litio

Le batterie alimentano la maggior parte dei nostri gadget. Shahbazian-Yassar dice, "Negli ultimi anni l'attenzione si è concentrata sulle batterie ricaricabili, in particolare la batteria agli ioni di litio".

Questo perché le batterie agli ioni di litio sono leggere, confezionare un enorme pugno di densità energetica, e la loro efficienza continua a salire. Come tutte le batterie di base, quelli a ioni di litio si basano sulla spola di ioni da un luogo all'altro. Parlando tecnicamente, che è tra l'anodo e il catodo, e una corrente elettrica induce gli ioni a mescolarsi tra loro. Una batteria scarica significa che c'è meno scambio tra l'anodo e il catodo. I confini gemelli potrebbero aiutare ad accelerare lo scambio o forse estenderlo, speriamo senza perdere la durata della batteria.

Confini gemelli negli ossidi di stagno

I confini gemelli sono fondamentalmente immagini speculari, posti in un materiale in cui un lato delle disposizioni atomiche riflette un altro. Spesso risultano durante la realizzazione di un materiale, che sposta gli atomi fuori posto di un smidge.

"Senza una visione dettagliata delle disposizioni atomiche, si potrebbe pensare che la struttura del materiale degli elettrodi sia perfetta, ma poi quando presti attenzione a livello atomico, noterai che questi atomi sono tutti simmetrici di un piano, "Nie dice, spiegando che la simmetria crea problemi perché crea punti deboli.

Allo stesso tempo, quella simmetria è ciò che fornisce un percorso per il viaggio degli ioni. Shahbazian-Yassar e il suo team hanno ricevuto una sovvenzione dalla Divisione di ricerca sui materiali presso la National Science Foundation lo scorso autunno per esplorare questo aspetto e hanno ora dimostrato che un doppio confine funge da autostrada per il trasporto di ioni di litio.

"Di solito lo spazio libero disponibile all'interno del cristallo è quello che gli ioni usano per entrare o uscire dall'elettrodo, "Shahbazian-Yassar dice, spiegando che lo spazio è come una città affollata con strade strette e gli ioni assomigliano alle macchine in movimento. "Se c'è un incidente, costruzione della strada, o semplicemente traffico, le auto non possono passare facilmente per le strade:un fenomeno simile si verifica nelle batterie.

Gli ioni di litio hanno bisogno di strade larghe e aperte per poter entrare e uscire dagli elettrodi della batteria. Qualsiasi ostruzione agli ioni in movimento ridurrà la quantità di energia o potenza estratta da una batteria.

Passi successivi nell'accumulo di energia

Il team di ricerca ha esaminato i confini gemelli negli ossidi di stagno, ma Shahbazian-Yassar dice che è applicabile in molti materiali per batterie. Il passo successivo è scoprire come ottimizzare questi difetti per bilanciare l'integrità meccanica con la quantità di strutture gemelle. Trovare questo equilibrio sarà al centro dei prossimi passi dei ricercatori, e questa nuova scoperta sui confini gemelli pone le basi per migliorare le batterie agli ioni di litio.