Le batterie agli ioni di litio che alimentano i laptop, le auto elettriche e tanti altri gadget moderni operano su un piano semplice:gli ioni di litio si spostano avanti e indietro tra due elettrodi, inserendo se stessi in uno degli elettrodi mentre la batteria si carica e spostandosi sull'altro mentre la batteria si scarica. La velocità e la facilità del loro viaggio attraverso l'elettrolita liquido della batteria aiutano a determinare la velocità con cui la batteria può caricarsi.

Ora gli scienziati hanno esaminato per la prima volta da vicino ciò che accade a pochi nanometri dall'elettrodo, dove le molecole di elettrolita che normalmente si muovono liberamente si organizzano in strati che stanno direttamente nei percorsi degli ioni di litio.

Hanno osservato direttamente questa stratificazione per la prima volta negli esperimenti a raggi X presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia. I risultati suggeriscono che la modifica della concentrazione di ioni di litio nell'elettrolita potrebbe modificare la disposizione degli strati molecolari e rendere più facile l'ingresso e l'uscita degli ioni dall'elettrodo.

"Quel processo degli ioni che si fanno strada nell'elettrodo è molto importante in termini di quanto velocemente puoi caricare la batteria e per quanto tempo la batteria dura, " ha detto Michael Toney, un distinto scienziato del personale presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC e co-leader dello studio. "Comprendere i dettagli su scala nanometrica di come funziona potrebbe suggerire modi per aumentare la velocità e l'efficienza di ricarica".

Il rapporto è stato accettato per la pubblicazione in Scienze energetiche e ambientali , e una copia anticipata è pubblicata sul sito web della rivista.

Sondaggio di un elettrolita commerciale

Nelle batterie agli ioni di litio, l'elettrolita è costituito da litio e altri ioni in un solvente, con le molecole di solvente che si muovono come farebbero in qualsiasi altro liquido. Ma sulla base della teoria e delle precedenti simulazioni al computer, gli scienziati avevano il forte sospetto che fosse successo qualcosa di diverso nel piccolo volume dell'elettrolita che si trova proprio accanto all'elettrodo. Qui, loro pensavano, la presenza della superficie dura dell'elettrodo indurrebbe le molecole di solvente ad allinearsi ea formare strati ordinati. Però, confermarlo attraverso esperimenti si è rivelato difficile.

Per questi ultimi esperimenti, La squadra di Toney ha usato un materiale di ossido di metallo per rappresentare l'elettrodo, immerso in un elettrolita che si trova tipicamente nelle batterie commerciali agli ioni di litio.

Focalizzando un raggio di raggi X ad alta brillantezza da SSRL sulla superficie dell'elettrodo e analizzando i raggi X che sono rimbalzati attraverso l'elettrolita, come la luce riflessa da uno specchio, i ricercatori sono stati in grado di determinare le strutture e le posizioni delle singole molecole di solvente e degli ioni di litio che si trovavano entro pochi miliardesimi di metro dalla superficie dell'elettrodo, disse Hans-Georg Steinrück, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Toney e co-leader degli esperimenti. Le simulazioni di dinamica molecolare hanno integrato e concordato con i risultati sperimentali.

"Possiamo vedere le posizioni degli ioni e delle molecole di solvente vicino all'elettrodo con risoluzione angstrom, e vedere anche come sono orientati sulla superficie dell'elettrodo, " ha detto Steinrück. "Sono disposti in strati ben definiti al confine, e il primo strato è piatto, parallelo alla superficie dell'elettrodo; poi diventano più disordinati, più tipico di un liquido, mentre ti allontani dalla superficie." Questi strati ordinati rendono più difficile per gli ioni di litio muoversi rapidamente attraverso gli strati e nell'elettrodo.

Gradi mutevoli di molecole

Però, all'aumentare della concentrazione di ioni di litio nell'elettrolita, la disposizione degli strati è cambiata; è diventato un po' più ordinato, e gli strati erano più distanti, ha detto Steinruck. Ciò ha portato i ricercatori a una conclusione che sembra quasi l'opposto di quanto ci si aspetterebbe.

"La nostra ipotesi è che se si vuole migliorare il trasporto degli ioni di litio, vuoi diminuire la quantità di ordine nei livelli, e questo significa diminuire la concentrazione di ioni di litio piuttosto che aumentarla, " Egli ha detto.

Steinrück ha affermato che il team esplorerà ulteriormente questa via di ricerca, aggiungendo che le conoscenze fondamentali ottenute con questa tecnica possono essere applicate anche a studi di altri tipi di batterie di nuova generazione e sistemi di accumulo di energia.