Piccole batterie sono state utilizzate per studiare la formazione spontanea di strutture cave su scala nanometrica nel laboratorio di Matthew McDowell alla Georgia Tech. Credito:Matthew McDowell, Georgia Tech
Una proprietà inaspettata dei cristalli di antimonio su scala nanometrica, la formazione spontanea di strutture cave, potrebbe aiutare a dare alla prossima generazione di batterie agli ioni di litio una maggiore densità di energia senza ridurre la durata della batteria. Le strutture a svuotamento reversibile potrebbero consentire alle batterie agli ioni di litio di trattenere più energia e quindi fornire più potenza tra una carica e l'altra.
Il flusso di ioni di litio all'interno e all'esterno degli anodi delle batterie in lega è stato a lungo un fattore limitante della quantità di energia che le batterie potrebbero contenere utilizzando materiali convenzionali. Troppo flusso di ioni fa gonfiare e poi restringere i materiali anodici durante i cicli di carica-scarica, causando un degrado meccanico che riduce la durata della batteria. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno precedentemente sviluppato nanoparticelle cave "a guscio d'uovo" che si adattano al cambiamento di volume causato dal flusso di ioni, ma fabbricarli è stato complesso e costoso.
Ora, un team di ricerca ha scoperto che particelle mille volte più piccole della larghezza di un capello umano formano spontaneamente strutture cave durante il ciclo di carica-scarica senza cambiare dimensione, consentendo un maggiore flusso di ioni senza danneggiare gli anodi. La ricerca è stata riportata il 1 giugno sulla rivista Nanotecnologia della natura .
"La progettazione intenzionale di nanomateriali cavi è stata realizzata per un po' di tempo ormai, ed è un approccio promettente per migliorare la durata e la stabilità delle batterie ad alta densità di energia, " ha detto Matthew McDowell, assistente professore presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering e la School of Materials Science and Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Il problema è stato che sintetizzare direttamente queste nanostrutture cave su larga scala necessaria per le applicazioni commerciali è impegnativo e costoso. La nostra scoperta potrebbe offrire una soluzione più semplice, processo semplificato che potrebbe portare a prestazioni migliorate in un modo simile alle strutture cave progettate intenzionalmente."
I ricercatori hanno fatto la loro scoperta utilizzando un microscopio elettronico ad alta risoluzione che ha permesso loro di visualizzare direttamente le reazioni della batteria mentre si verificano su scala nanometrica. "Questo è un tipo complicato di esperimento, ma se sei paziente e fai bene gli esperimenti, puoi imparare cose davvero importanti su come si comportano i materiali nelle batterie, "Ha detto McDowell.
Il gruppo, che includeva ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Oak Ridge National Laboratory, ha anche utilizzato la modellazione per creare un quadro teorico per comprendere il motivo per cui le nanoparticelle si svuotano spontaneamente, invece di ridursi, durante la rimozione del litio dalla batteria.
Un'immagine al microscopio elettronico mostra le nanoparticelle di antimonio utilizzate nella ricerca sulla formazione spontanea di strutture cave per gli elettrodi delle batterie. Credito:Matthew Boebinger, Georgia Tech
La capacità di formare e riempire in modo reversibile particelle cave durante il ciclo della batteria si verifica solo nei nanocristalli di antimonio rivestiti di ossido che hanno un diametro inferiore a circa 30 nanometri. Il team di ricerca ha scoperto che il comportamento deriva da uno strato di ossido nativo resiliente che consente l'espansione iniziale durante la litiazione - flusso di ioni nell'anodo - ma impedisce meccanicamente il restringimento poiché l'antimonio forma vuoti durante la rimozione degli ioni, un processo noto come delittio.
La scoperta è stata un po' una sorpresa perché i lavori precedenti su materiali correlati erano stati eseguiti su particelle più grandi, che si espandono e si restringono invece di formare strutture cave. "Quando abbiamo osservato per la prima volta il caratteristico comportamento di svuotamento, è stato molto eccitante e abbiamo subito capito che questo avrebbe potuto avere importanti implicazioni per le prestazioni della batteria, "Ha detto McDowell.
L'antimonio è relativamente costoso e non è attualmente utilizzato negli elettrodi per batterie commerciali. Ma McDowell ritiene che lo svuotamento spontaneo possa verificarsi anche in materiali correlati meno costosi come lo stagno. I prossimi passi includeranno la sperimentazione di altri materiali e la mappatura di un percorso per lo scale-up commerciale.
"Sarebbe interessante testare altri materiali per vedere se si trasformano secondo un meccanismo di svuotamento simile, " ha detto. "Questo potrebbe ampliare la gamma di materiali disponibili per l'uso nelle batterie. Le piccole batterie di prova che abbiamo fabbricato hanno mostrato promettenti prestazioni di carica-scarica, quindi vorremmo valutare i materiali in batterie più grandi."
Sebbene possano essere costosi, i nanocristalli autosvuotanti di antimonio hanno un'altra proprietà interessante:potrebbero essere utilizzati anche nelle batterie agli ioni di sodio e agli ioni di potassio, sistemi emergenti per i quali occorre fare molta più ricerca.
"Questo lavoro migliora la nostra comprensione di come questo tipo di materiale si evolve all'interno delle batterie, " ha detto McDowell. "Queste informazioni saranno fondamentali per l'implementazione del materiale o dei materiali correlati nella prossima generazione di batterie agli ioni di litio, che sarà in grado di immagazzinare più energia ed essere durevole quanto le batterie che abbiamo oggi."
