Sono stati fabbricati tre catodi:uno standard nudo (a sinistra), uno rivestito con uno strato di BaTiO 3 (mezzo), e uno rivestito con diversi BaTiO 3 nanopunti (a destra). Quello con i nanopunti ha mostrato prestazioni notevolmente migliorate. Credito:Nano Letters
Gli scienziati della Tokyo Tech e dell'Università di Okayama hanno notevolmente migliorato le prestazioni di LiCoO 2 catodi nelle batterie agli ioni di litio decorandoli con BaTiO 3 nanopunti. Più importante, hanno chiarito il meccanismo alla base dei risultati misurati, concludendo che il BaTiO 3 i nanodots creano un'interfaccia speciale attraverso la quale gli ioni di litio possono circolare facilmente, anche a tassi di carica/scarica molto elevati.
Oggi, i moderni progressi nei dispositivi e nei veicoli elettrici hanno creato la necessità di batterie migliorate in termini di stabilità, ricaricabilità, e velocità di ricarica. Sebbene le batterie agli ioni di litio (LIB) si siano dimostrate molto utili, non è possibile caricarli abbastanza velocemente con correnti elevate senza incorrere in problemi quali improvvise diminuzioni di ciclabilità e capacità di uscita a causa della loro intrinseca elevata resistenza e reazioni collaterali indesiderate.
Gli effetti negativi di tali reazioni indesiderate ostacolano i LIB che utilizzano LiCoO 2 (LCO) come materiale catodico. Uno di questi riguarda lo scioglimento del Co 4 + ioni nella soluzione elettrolitica della batteria durante i cicli di carica/scarica. Un altro effetto è la formazione di un'interfaccia elettrolitica solida tra il materiale attivo e l'elettrodo in queste batterie, che ostacola il movimento degli ioni di litio e quindi degrada le prestazioni.
In uno studio precedente, scienziati hanno riferito che utilizzando materiali con un'elevata costante dielettrica, come BaTiO 3 (BTO) ha migliorato le prestazioni ad alta velocità dei catodi LCO. Però, il meccanismo alla base dei miglioramenti osservati non era chiaro. Per far luce su questo promettente approccio, un team di scienziati della Tokyo Tech, guidato dal Prof. Mitsuru Itoh, Il dottor Shintaro Yasui e il signor Sou Yasuhara, studiato catodi LCO con BTO applicato in modi diversi per scoprire cosa è successo all'interfaccia BTO-LCO in modo più dettagliato.
Il BaTiO 3 i nanopunti concentrano la corrente elettrica in un anello intorno a loro e creano percorsi attraverso i quali possono passare gli ioni di litio, anche a tassi di carica/scarica molto elevati. Credito:Nano Letters
Il team ha creato tre catodi LCO:uno nudo, uno rivestito con uno strato di BTO, e uno ricoperto di nanopunti BTO (Figura 1). Il team ha anche modellato un catodo LCO con un singolo nanopunto BTO e ha previsto che la densità di corrente vicino al bordo del nanopunto BTO fosse molto alta. Questa particolare area è chiamata interfaccia a tripla fase (BTO-LCO-elettrolita), e la sua esistenza ha notevolmente migliorato le prestazioni elettriche del catodo ricoperto da microscopici nanopunti BTO.
Come previsto, dopo aver testato e confrontato i tre catodi che avevano preparato, il team ha scoperto che quello con uno strato di punti BTO ha mostrato prestazioni molto migliori, sia in termini di stabilità che di capacità di scarica. "I nostri risultati dimostrano chiaramente che la decorazione con nanopunti BTO svolge un ruolo importante nel migliorare la ciclabilità e ridurre la resistenza, " afferma Itoh. Rendendosi conto che i punti BTO avevano un effetto cruciale sulla motilità degli ioni Li nel catodo, la squadra ha cercato una spiegazione.
Dopo aver esaminato i risultati delle misurazioni, il team ha concluso che i nanopunti BTO creano percorsi attraverso i quali gli ioni Li possono facilmente intercalare/deintercalare, anche a velocità di carica/scarica molto elevate (Figura 2). Questo perché il campo elettrico si concentra attorno a materiali con un'elevata costante dielettrica. Inoltre, la formazione di un'interfaccia elettrolitica solida è notevolmente soppressa vicino all'interfaccia a tripla fase, che altrimenti comporterebbe una scarsa ciclabilità. "Il meccanismo mediante il quale viene inibita la formazione di un'interfaccia elettrolitica solida vicino all'interfaccia a tripla fase non è ancora chiaro, " commenta Itoh.
Sebbene rimangano ancora molte ricerche su questo argomento, i risultati sono promettenti e suggeriscono un nuovo modo di migliorare notevolmente i LIB. Questo potrebbe essere un passo significativo per soddisfare le esigenze dei dispositivi moderni e futuri.
