Costruire una batteria migliore è un delicato atto di bilanciamento. L'aumento della quantità di sostanze chimiche le cui reazioni alimentano la batteria può portare all'instabilità. Allo stesso modo, particelle più piccole possono migliorare la reattività ma esporre più materiale alla degradazione. Ora un team di scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, e SLAC National Accelerator Laboratory affermano di aver trovato un modo per trovare un equilibrio, realizzando un catodo di batteria con una struttura gerarchica in cui il materiale reattivo è abbondante ma protetto.

Le batterie di prova che incorporano questo materiale catodico hanno mostrato un comportamento ciclico ad alta tensione migliorato, il tipo che vorresti per i veicoli elettrici a ricarica rapida e altre applicazioni che richiedono un'elevata capacità di stoccaggio. Gli scienziati descrivono i dettagli da micro a nanoscala del materiale del catodo in un articolo pubblicato sulla rivista Energia della natura 11 gennaio 2016.

"I nostri colleghi del Berkeley Lab sono stati in grado di realizzare una struttura particellare con due livelli di complessità in cui il materiale è assemblato in modo da proteggersi dal degrado, " ha spiegato il fisico del Brookhaven Lab e assistente professore aggiunto della Stony Brook University Huolin Xin, che ha contribuito a caratterizzare i dettagli su scala nanometrica del materiale del catodo presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Brookhaven Lab.

L'imaging a raggi X eseguito dagli scienziati della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) allo SLAC insieme alla microscopia elettronica di Xin al CFN ha rivelato particelle sferiche del materiale del catodo che misurano milionesimi di metro, o micron, di diametro composto da tanti più piccoli, nanoparticelle sfaccettate accatastate insieme come mattoni in un muro. Le tecniche di caratterizzazione hanno rivelato importanti dettagli strutturali e chimici che spiegano perché queste particelle si comportano così bene.

La navetta agli ioni di litio

La chimica è al centro di tutte le batterie ricaricabili agli ioni di litio, che alimentano l'elettronica portatile e le auto elettriche spostando gli ioni di litio tra elettrodi positivi e negativi immersi in una soluzione elettrolitica. Quando il litio si sposta nel catodo, le reazioni chimiche generano elettroni che possono essere indirizzati a un circuito esterno per l'uso. La ricarica richiede una corrente esterna per eseguire le reazioni al contrario, estraendo gli ioni di litio dal catodo e inviandoli all'anodo.

I metalli reattivi come il nichel hanno il potenziale per creare ottimi materiali catodici, tranne per il fatto che sono instabili e tendono a subire reazioni collaterali distruttive con l'elettrolita. Quindi il Brookhaven, Berkeley, e il team della batteria SLAC hanno sperimentato modi per incorporare il nichel ma proteggerlo da queste reazioni collaterali distruttive.

Hanno spruzzato una soluzione di litio, nichel, manganese, e cobalto miscelati in un certo rapporto attraverso un ugello atomizzatore per formare minuscole goccioline, che poi si decompone formando una polvere. Il riscaldamento e il raffreddamento ripetuti della polvere hanno innescato la formazione di minuscole particelle nanometriche e l'autoassemblaggio di queste particelle nella sfera più grande, a volte vuoto, strutture.

Usando i raggi X all'SSRL di SLAC, gli scienziati hanno creato "impronte digitali" chimiche delle strutture su scala micron. La tecnica del sincrotrone, chiamata spettroscopia a raggi X, ha rivelato che la superficie esterna delle sfere era relativamente povera di nichel e ricca di manganese non reattivo, mentre l'interno era ricco di nichel.

"Lo strato di manganese forma una barriera efficace, come pittura su un muro, proteggere la struttura interna dei "mattoni" ricchi di nichel dall'elettrolita, " ha detto Xin.

Ma come facevano ancora gli ioni di litio a entrare nel materiale per reagire con il nichel? Per scoprirlo, Il gruppo di Xin al CFN ha macinato le particelle più grandi per formare una polvere composta da grumi molto più piccoli delle particelle primarie su scala nanometrica con alcune delle interfacce tra loro ancora intatte.

"Questi campioni mostrano un piccolo sottoinsieme dei mattoni che formano il muro. Volevamo vedere come sono messi insieme i mattoni. Che tipo di cemento o malta li lega? Sono stratificati insieme regolarmente o sono orientati casualmente con spazi intermedi? " ha detto Xin.

I dettagli in nanoscala spiegano il miglioramento delle prestazioni

Usando un microscopio elettronico a scansione a trasmissione corretto per l'aberrazione - un microscopio elettronico a scansione a trasmissione dotato di un paio di "occhiali" per migliorare la sua visione - gli scienziati hanno visto che le particelle avevano sfaccettature, facce piatte o lati come i bordi tagliati di un cristallo, che ha permesso loro di impacchettarsi strettamente insieme per formare interfacce coerenti senza malta o cemento tra i mattoni. Ma c'era un leggero disadattamento tra le due superfici, con gli atomi su un lato dell'interfaccia essendo sempre leggermente sfalsati rispetto agli atomi sulla particella adiacente.

"L'impaccamento degli atomi alle interfacce tra le minuscole particelle è leggermente meno denso del reticolo perfetto all'interno di ogni singola particella, quindi queste interfacce fondamentalmente creano un'autostrada per l'ingresso e l'uscita degli ioni di litio, " ha detto Xin.

Come piccole auto intelligenti, gli ioni di litio possono spostarsi lungo queste autostrade per raggiungere la struttura interna del muro e reagire con il nichel, ma molecole di elettrolita molto più grandi delle dimensioni di un camion non possono entrare per degradare il materiale reattivo.

Utilizzando uno strumento di spettroscopia all'interno del loro microscopio, gli scienziati del CFN hanno prodotto impronte chimiche su nanoscala che hanno rivelato che c'era una certa segregazione di nichel e manganese anche su scala nanometrica, proprio come c'era nelle strutture a scala micron.

"Non sappiamo ancora se questo è funzionalmente significativo, ma pensiamo che potrebbe essere utile e vogliamo studiarlo ulteriormente, " disse Xin. Ad esempio, Egli ha detto, forse il materiale potrebbe essere realizzato su scala nanometrica per avere uno scheletro di manganese per stabilizzare il più reattivo, tasche meno stabili ricche di nichel.

"Questa combinazione potrebbe darti una maggiore durata della batteria insieme alla maggiore capacità di carica del nichel, " Egli ha detto.