Per il sistema di batterie al litio-ossigeno, è ben noto che la reazione di carica e scarica produce particolari forme di prodotto di reazione che ricordano ciambelle e palloncini. Ancora, come si formino queste forme è rimasto un mistero. Un nuovo studio su una batteria nano-litio-ossigeno funzionante su scala atomica in un'atmosfera di ossigeno fornisce indizi per risolvere questo mistero.

La scoperta del percorso di reazione litio-ossigeno pone le basi per la modellizzazione quantitativa dei processi elettrochimici nel sistema litio-ossigeno, fornendo informazioni sul modo migliore per progettare batterie al litio-ossigeno con capacità elevata e ciclo di vita più lungo.

Il sistema di batterie al litio-ossigeno è stato percepito come una tecnologia abilitante per l'industria elettromotrice. Però, i progressi nella ricerca e nello sviluppo di una batteria al litio-ossigeno sono stati gravemente ostacolati da due domande senza risposta. Primo, qual è il percorso di reazione elettrochimica durante la scarica e la ricarica della batteria? Secondo, qual è la relazione tra le forme complicate del prodotto di reazione e il percorso di reazione? Le risposte a queste due domande sono fondamentali, ma essenziale per lo sviluppo delle batterie al litio-ossigeno.

Per colmare questa lacuna conoscitiva, un team di ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory; Università Politecnica Cinese di Tianjin; e EMSL, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, utilizzato tecniche avanzate di imaging in situ, il microscopio elettronico a trasmissione ambientale, presso l'EMSL, una struttura utente dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento di energia, osservare una batteria nano-litio-ossigeno durante la carica e la scarica. Hanno scoperto che l'ossigeno reagisce con il litio sui nanotubi di carbonio per formare un ossido di litio metastabile.

Questo ossido si trasforma in un ossido di litio più stabile e rilascia gas ossigeno che espande (gonfia) le particelle in una struttura cava, producendo forme di ciambelle e palloncini. Questa osservazione dimostra più in generale che il modo in cui viene alloggiato l'ossigeno rilasciato governa la formazione della complicata morfologia del prodotto di reazione in una batteria litio-ossigeno. I risultati di questo lavoro non solo rispondono alle due domande sopra delineate, ma forniscono anche informazioni sul trasporto di ioni ed elettroni accoppiato al flusso di massa per la batteria al litio-ossigeno.