Le batterie migliori che si caricano rapidamente e durano a lungo sono un anello di ottone per gli ingegneri. Ma nonostante decenni di ricerca e innovazione, una comprensione fondamentale di come funzionano esattamente le batterie su scale più piccole è rimasta sfuggente.

In un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Scienza , una squadra guidata da William Chueh, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e uno scienziato della facoltà presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento di energia, ha ideato un modo per scrutare come mai prima d'ora la reazione elettrochimica che alimenta la più comune cella ricaricabile oggi in uso:la batteria agli ioni di litio.

Visualizzando gli elementi costitutivi fondamentali delle batterie - piccole particelle che in genere misurano meno di 1/100 di un capello umano - i membri del team hanno illuminato un processo che è molto più complesso di quanto si pensasse una volta. Sia il metodo che hanno sviluppato per osservare la batteria in tempo reale che la loro migliore comprensione dell'elettrochimica potrebbero avere implicazioni di vasta portata per la progettazione della batteria, gestione e non solo.

"Ci fornisce informazioni fondamentali su come funzionano le batterie, " disse Jongwoo Lim, un co-autore principale dell'articolo e ricercatore post-dottorato presso lo Stanford Institute for Materials &Energy Sciences presso SLAC. "In precedenza, la maggior parte degli studi ha studiato il comportamento medio dell'intera batteria. Ora, possiamo vedere e capire come le singole particelle della batteria si caricano e si scaricano."

Il cuore di una batteria

Al centro di ogni batteria agli ioni di litio c'è una semplice reazione chimica in cui ioni di litio caricati positivamente si annidano nella struttura reticolare di un elettrodo a cristallo mentre la batteria si scarica, ricevendo elettroni carichi negativamente nel processo. Invertendo la reazione rimuovendo gli elettroni, gli ioni vengono liberati e la batteria è carica.

Questi processi di base - noti come litiazione (scarica) e delitiazione (carica) - sono ostacolati da un tallone d'Achille elettrochimico. Raramente gli ioni si inseriscono uniformemente sulla superficie delle particelle. Anziché, alcune aree assorbono più ioni, e altri meno. Queste incongruenze alla fine portano a stress meccanico poiché le aree del reticolo cristallino vengono sovraccaricate di ioni e sviluppano minuscole fratture, indebolimento delle prestazioni della batteria e riduzione della durata della batteria.

"Litiazione e delitti devono essere omogenee e uniformi, " disse Yiyang Li, un dottorando nel laboratorio di Chueh e co-autore dell'articolo. "In realtà, però, sono molto non uniformi. Nella nostra migliore comprensione del processo, questo documento traccia un percorso verso la soppressione del fenomeno".

Per i ricercatori che sperano di migliorare le batterie, come Chueh e la sua squadra, contrastare queste forze dannose potrebbe portare a batterie che si caricano più velocemente e più completamente, durano molto più a lungo dei modelli odierni.

Questo studio visualizza la reazione di carica/scarica in tempo reale - qualcosa che gli scienziati chiamano operando - con dettagli e scala precisi. Il team ha utilizzato raggi X brillanti e microscopi all'avanguardia presso l'Advanced Light Source del Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Il fenomeno rivelato da questa tecnica, Ho pensato che non sarebbe mai stato visualizzato nella mia vita. È abbastanza rivoluzionario nel campo delle batterie, " disse Martin Bazant, un professore di ingegneria chimica e di matematica al MIT che ha guidato l'aspetto teorico dello studio.

Chueh e il suo team hanno creato una batteria trasparente utilizzando gli stessi materiali attivi presenti negli smartphone e nei veicoli elettrici. È stato progettato e realizzato in collaborazione con Hummingbird Scientific. Si compone di due molto sottili, "finestre" di nitruro di silicio trasparente. L'elettrodo della batteria, costituito da un singolo strato di nanoparticelle di litio ferro fosfato, si trova sulla membrana all'interno dello spazio tra le due finestre. Un fluido salato, noto come elettrolita, scorre nello spazio per fornire gli ioni di litio alle nanoparticelle.

"Questo è stato molto, batteria molto piccola, con una carica dieci miliardi di volte inferiore rispetto alla batteria di uno smartphone, " Chueh ha detto. "Ma ci permette una visione chiara di ciò che sta accadendo su scala nanometrica".

Progressi significativi

Nel loro studio, i ricercatori hanno scoperto che il processo di carica (delitiazione) è significativamente meno uniforme della scarica (litiazione). intrigante, i ricercatori hanno anche scoperto che una ricarica più rapida migliora l'uniformità, che potrebbe portare a nuovi e migliori progetti di batterie e strategie di gestione dell'alimentazione.

"La migliorata uniformità riduce lo stress meccanico dannoso sugli elettrodi e migliora la ciclabilità della batteria, " Chueh ha detto. "Oltre le batterie, questo lavoro potrebbe avere un impatto di vasta portata su molti altri materiali elettrochimici." Ha indicato i catalizzatori, dispositivi di memoria, e il cosiddetto vetro intelligente, che passa da traslucido a trasparente quando viene caricato elettricamente.

Oltre alle conoscenze scientifiche acquisite, l'altro progresso significativo dello studio è la stessa tecnica di microscopia a raggi X, che è stato sviluppato in collaborazione con gli scienziati del Berkeley Lab Advanced Light Source Young-sang Yu, David Shapiro, e Tolek Tyliszczak. Il microscopio, che è ospitato presso l'Advanced Light Source, potrebbe influenzare la ricerca energetica su tutta la linea rivelando dinamiche mai viste prima su scala nanometrica.

"Quello che abbiamo imparato qui non è solo come creare una batteria migliore, ma ci offre una nuova finestra profonda sulla scienza delle reazioni elettrochimiche su scala nanometrica, " ha detto Bazant.