Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno scoperto un gioco molecolare di sedie musicali che danneggia le prestazioni della batteria.

In un articolo pubblicato su Nanotecnologia della natura , i ricercatori dimostrano come l'eccitazione degli atomi di ossigeno che contribuisce a migliorare le prestazioni di una batteria agli ioni di litio innesca anche un processo che porta a danni, spiegare un fenomeno che è stato un mistero per gli scienziati.

La ricerca individua la scienza dietro una barriera sulla strada per la creazione di vita più lunga, batterie ricaricabili agli ioni di litio di maggiore capacità. È una scoperta inaspettata su un processo che avviene ogni giorno nelle batterie che alimentano i telefoni cellulari, computer portatili, e auto elettriche.

Il lato negativo dell'ossigeno

Il controllo del modo in cui le molecole si incastrano e fluiscono è fondamentale per la capacità di una batteria di immagazzinare e rilasciare energia. In una batteria agli ioni di litio, il processo di carica include il flusso di ioni di litio dal catodo attraverso l'elettrolita all'anodo. Al momento dello scarico, quegli stessi ioni fanno un viaggio di ritorno al catodo, dove dovrebbero sistemarsi nelle posizioni loro assegnate in un reticolo rigidamente irreggimentato dove altri atomi, come l'ossigeno, nichel, cobalto, e magnesio, anche risiedere. Questo costante avanti e indietro è ciò che consente alla batteria di immagazzinare e rilasciare energia.

Per potenziare questo processo, gli scienziati aumentano il flusso di litio dal catodo utilizzando l'ossigeno come donatore di elettroni, ma questo si traduce in atomi di ossigeno "eccitati" che possono provocare il caos nel catodo accuratamente costruito. Il team del PNNL ha scoperto che queste molecole di ossigeno sono responsabili di dispetti:sono molto mobili ed è probabile che fuoriescano dalla superficie, portando a una minore capacità e infine al guasto della batteria, e scambiano facilmente le posizioni molecolari, sollecitando la struttura della batteria.

"Gli atomi di ossigeno offrono elettroni, e questo aumenta la capacità. Ma c'è un costo da pagare; le persone non se ne sono accorte, " ha detto lo scienziato del PNNL Chongmin Wang, che ha condotto lo studio. "Sappiamo che l'ossigeno aumenta le prestazioni della batteria, ma non abbiamo compreso completamente tutti i principi coinvolti".

Battaglia nel catodo

La squadra di Wang ha rintracciato esattamente cosa succede all'ossigeno nel catodo, rivelando una storia di sedie musicali molecolari che coinvolgono "bulli dell'ossigeno eccitati, "sbadigli vuoti creati dalla loro uscita opportunistica dalla struttura, e gli ioni di litio ostacolarono il loro sforzo di tornare da dove erano venuti.

Il team ha dimostrato che gli atomi di ossigeno eccessivamente eccitati, creati quando gli atomi di ossigeno hanno donato i loro elettroni, sono inclini a fuggire dalla superficie del catodo, lasciando un posto vacante nel reticolo della batteria accuratamente costruito.

Quando gli atomi di ossigeno sulla superficie si allontanano, atomi di ossigeno aggiuntivi nella struttura di massa si fanno strada in quegli slot ora vuoti. Sempre più molecole di ossigeno seguono l'esempio in una reazione a catena, facendosi strada nelle fessure vuote e fuggendo dalla superficie. Mentre il processo continua, i difetti migrano dalla superficie del catodo più in profondità nel materiale, creando un grande buco o vuoto. L'attività imita un processo che molti di noi conoscono fin troppo bene:carie, che inizia con un piccolo difetto su una superficie ma alla fine va più in profondità e causa un problema più grande.

Lo scambio di siti provoca il caos sulla struttura atomica precedentemente ordinata di una batteria. Altri atomi come il nichel, magnesio, cobalto, e l'ossigeno inizia a muoversi e ad agire efficacemente come bulli, probabilmente ruberà un posto designato per il litio mentre il litio è via facendo un'utile chimica della batteria.

E i posti vacanti lasciati dagli atomi di ossigeno scomparsi iniziano a raggrupparsi in vuoti, presentando formidabili barriere e impedendo agli ioni di litio di tornare al loro posto. Quando meno atomi di litio sono in grado di riaffermarsi nelle posizioni corrette nel catodo, meno sono disponibili per fare il viaggio di andata e ritorno tra anodo e catodo. Ciò significa che la batteria immagazzina sempre meno energia.

Infine, l'alto numero di posti vacanti o vuoti destabilizza il reticolo, portando a una minore capacità e, infine, al guasto della batteria.

Una guardia del corpo per l'ossigeno ribelle

"Una volta che hai perso abbastanza atomi di ossigeno, la batteria perde capacità e l'intera struttura crolla, " ha detto Wang, il cui team PNNL ha anche lavorato con scienziati della Beijing University of Technology in Cina, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, e Laboratorio Nazionale Argonne.

Il team sta esplorando modi per fermare tali difetti. Un'idea è quella di stabilizzare l'ossigeno sulla superficie, per bloccare più strettamente gli atomi di ossigeno nella loro giusta posizione e renderli meno propensi a fuggire dalla superficie. Il team di Wang sta esplorando l'uso di molecole di zirconia per esercitare la sua influenza chimica e agire come una sorta di guardia del corpo per mantenere gli atomi di ossigeno nelle posizioni corrette. Ciò significherebbe una minore perdita di ossigeno e aiuterebbe a mantenere in ordine l'intera struttura, allowing lithium ions to move back and forth with ease.