I ricercatori potrebbero aver determinato perché i materiali degli elettrodi abbastanza fragili nelle batterie non si rompono sotto lo sforzo dei cicli di espansione e contrazione quando vengono utilizzati e ricaricati. Credito:Jose-Luis Olivares/MIT
Quando si carica una batteria, o quando lo usi, non è solo elettricità, ma anche materia che si muove all'interno. ioni, che sono atomi o molecole che hanno una carica elettrica, viaggiare da uno degli elettrodi della batteria all'altro, facendo restringere e gonfiare gli elettrodi. Infatti, è stato un mistero di vecchia data il motivo per cui i materiali degli elettrodi abbastanza fragili non si rompono sotto lo sforzo di questi cicli di espansione e contrazione.
La risposta potrebbe essere stata finalmente trovata. Un team di ricercatori del MIT, l'Università della Danimarca meridionale, Università del riso, e l'Argonne National Laboratory ha stabilito che il segreto sta nella struttura molecolare degli elettrodi. Mentre i materiali degli elettrodi sono normalmente cristallini, con tutti i loro atomi ordinatamente disposti in modo regolare, serie ripetitiva, quando sono sottoposti al processo di carica o scarica, si trasformano in un disordine, fase vetrosa in grado di assecondare le sollecitazioni delle variazioni dimensionali.
Le nuove scoperte, che potrebbe influenzare la progettazione futura della batteria e persino portare a nuovi tipi di attuatori, sono riportati sulla rivista Nano lettere , in un articolo del professore di scienza e ingegneria dei materiali del MIT Yet-Ming Chiang, studenti laureati Kai Xiang e Wenting Xing, e altri otto.
In teoria, se dovessi allungare una batteria agli ioni di litio su un fulcro, con un elettrodo su ogni lato, Chiang dice, "va su e giù come un'altalena" mentre veniva caricato e scaricato. Il cambiamento di massa mentre gli ioni si spostano avanti e indietro è anche accompagnato da un'espansione o contrazione che può variare, a seconda del materiale, "dall'1 per cento circa, fino al silicio, che può espandersi del 300 percento, " lui dice.
Queste immagini, realizzato mediante microscopia elettronica a trasmissione, mostrano la progressione del materiale dell'elettrodo sodio-olivina, prima nel materiale di partenza originale in polvere (a); dopo che il sodio è stato inserito in diverse concentrazioni (b e c); e dopo un amorfo, la struttura vetrosa si forma tra minuscole aree di struttura microcristallina (d ed e). Credito:Massachusetts Institute of Technology
Questa ricerca si è occupata di un diverso tipo di batteria, chiamata batteria agli ioni di sodio. Gli scienziati hanno esaminato una particolare classe di materiali visti come potenziali catodi di batterie (elettrodi positivi), chiamate fosfo-olivine, e specificamente al sodio-ferro-fosfato (NaFePO 4 ). Hanno scoperto che è possibile mettere a punto le variazioni di volume su un intervallo molto ampio, modificando non solo quanto il materiale si espande e si contrae, ma anche le dinamiche di come lo fa. Per alcune composizioni, l'espansione è molto lenta e graduale, ma per altri può aumentare improvvisamente.
"All'interno di questa famiglia di olivine, "Chiang dice, "possiamo avere questo lento, cambiamento graduale, " coprendo l'intera gamma da una carica quasi nulla a una potenza molto elevata. In alternativa, il cambiamento può essere "qualcosa di molto drastico, " come nel caso di NaFePO 4 , che cambia rapidamente il suo volume di circa il 17%.
"Sappiamo che composti fragili come questo normalmente si fratturano con una variazione di volume inferiore all'1%, " Dice Chiang. "Allora, come fa questo materiale ad adattarsi a cambiamenti di volume così grandi? Quello che abbiamo trovato, in un senso, è che il cristallo si arrende e forma un vetro disordinato" invece di mantenere il suo reticolo ordinato con precisione.
"Questo è un meccanismo che pensiamo possa essere applicato in modo più ampio ad altri composti di questo tipo, " lui dice, aggiungendo che la scoperta potrebbe rappresentare "un nuovo modo per creare materiali vetrosi che potrebbero essere utili per le batterie". Una volta avvenuta la trasformazione in una composizione vetrosa, i suoi cambiamenti di volume diventano graduali piuttosto che improvvisi, e di conseguenza "può essere più longevo, " dice Ciang.
Questi diagrammi illustrano il modo in cui diversi materiali si espandono quando sottoposti a un afflusso di ioni. Silicio, A destra, ha uno dei più alti gradi di espansione conosciuti. Credito:Massachusetts Institute of Technology
I risultati potrebbero fornire un nuovo strumento di progettazione per coloro che cercano di sviluppare prodotti più longevi, batterie di maggiore capacità, lui dice. Potrebbe anche portare a possibili applicazioni in cui le variazioni di volume potrebbero essere utilizzate, ad esempio come attuatori robotici o come pompe per erogare farmaci da dispositivi impiantabili.
Il team prevede di continuare a lavorare su modi più semplici per sintetizzare questi composti di olivina, e determinare se esiste una famiglia più ampia di materiali cristallini che condivide questa proprietà di cambiamento di fase.
Questa ricerca fornisce "un contributo fondamentale che collega l'elettrochimica, meccanico, e gli aspetti cristallografici degli elettrodi della batteria, "dice William Chueh, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Stanford University, chi non era coinvolto in questo lavoro.
"I materiali degli elettrodi utilizzati nelle batterie agli ioni di litio si restringono e si espandono durante la carica e la scarica, e spesso sproporzionatamente all'interno di una singola particella. Se il ceppo non può essere adattato, le fratture delle particelle, alla fine causando il guasto della batteria. È simile a una tazza di ceramica fredda che si rompe quando l'acqua bollente viene versata troppo velocemente, " Chueh dice. Questo lavoro "identifica un nuovo meccanismo antistrappo quando il cambiamento di volume è grande, che comporta il passaggio del materiale da un solido cristallino a uno amorfo piuttosto che fratturarsi."
Questa scoperta, lui dice, "potrebbe portare gli scienziati a rivisitare i materiali delle batterie precedentemente ritenuti inutilizzabili a causa della grande variazione di volume durante la carica e la scarica. Ciò porterebbe anche a modelli predittivi migliori utilizzati dagli ingegneri per progettare batterie di nuova generazione".
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
