Un team di ricercatori guidati da chimici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha identificato nuovi dettagli sul meccanismo di reazione che avviene nelle batterie con anodi metallici al litio. Le scoperte, pubblicato oggi in Nanotecnologia della natura , sono un passo importante verso lo sviluppo di piccoli, accendino, e batterie meno costose per veicoli elettrici.

Ricreare anodi in metallo di litio

Le batterie convenzionali agli ioni di litio possono essere trovate in una varietà di dispositivi elettronici, dagli smartphone ai veicoli elettrici. Mentre le batterie agli ioni di litio hanno consentito l'uso diffuso di molte tecnologie, devono ancora affrontare sfide nell'alimentare i veicoli elettrici su lunghe distanze.

Per costruire una batteria più adatta ai veicoli elettrici, ricercatori di diversi laboratori nazionali e università sponsorizzate dal DOE hanno formato un consorzio chiamato Battery500, guidato dal Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del DOE. Il loro obiettivo è realizzare celle di batteria con una densità di energia di 500 wattora per chilogrammo, che è più del doppio della densità energetica delle batterie all'avanguardia di oggi. Fare così, il consorzio si sta concentrando su batterie realizzate con anodi metallici al litio.

Rispetto alle batterie agli ioni di litio, che più spesso usano la grafite come anodo, le batterie al litio metallico utilizzano il litio metallico come anodo.

"Gli anodi in metallo di litio sono uno dei componenti chiave per soddisfare la densità di energia ricercata da Battery500, " ha detto il chimico di Brookhaven Enyuan Hu, autore principale dello studio. "Il loro vantaggio è duplice. Primo, la loro capacità specifica è molto elevata; secondo, forniscono una batteria a voltaggio leggermente superiore. La combinazione porta a una maggiore densità di energia".

Gli scienziati hanno da tempo riconosciuto i vantaggi degli anodi metallici al litio; infatti, furono il primo anodo ad essere accoppiato con un catodo. Ma a causa della loro mancanza di "reversibilità, " la capacità di essere ricaricato attraverso una reazione elettrochimica reversibile, la comunità delle batterie alla fine ha sostituito gli anodi di metallo al litio con anodi di grafite, creazione di batterie agli ioni di litio.

Ora, con decenni di progressi compiuti, i ricercatori sono fiduciosi di poter rendere reversibili gli anodi di litio metallico, superando i limiti delle batterie agli ioni di litio. La chiave è l'interfase, uno strato di materiale solido che si forma sull'elettrodo della batteria durante la reazione elettrochimica.

"Se siamo in grado di comprendere appieno l'interfase, possiamo fornire una guida importante sulla progettazione dei materiali e rendere reversibili gli anodi in metallo di litio, " Hu ha detto. "Ma capire l'interfase è piuttosto una sfida perché è uno strato molto sottile con uno spessore di pochi nanometri. È anche molto sensibile all'aria e all'umidità, rendendo la gestione del campione molto difficile."

Visualizzazione dell'interfase in NSLS-II

Per affrontare queste sfide e "vedere" la composizione chimica e la struttura dell'interfase, i ricercatori si sono rivolti alla National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven che genera raggi X ultraluminosi per studiare le proprietà dei materiali su scala atomica.

"L'elevato flusso di NSLS-II ci consente di esaminare una quantità molto piccola del campione e di generare comunque dati di altissima qualità, "Ha detto Hu.

Oltre alle capacità avanzate di NSLS-II nel suo insieme, il team di ricerca aveva bisogno di utilizzare una linea di luce (stazione sperimentale) che fosse in grado di sondare tutti i componenti dell'interfase, comprese le fasi cristallina e amorfa, con raggi X ad alta energia (lunghezza d'onda corta). Quella linea di luce era la linea di luce di diffrazione dei raggi X da polvere (XPD).

"Il team di chimica ha approfittato di un approccio multimodale a XPD, utilizzando due diverse tecniche offerte dalla linea di luce, Analisi della diffrazione dei raggi X (XRD) e della funzione di distribuzione delle coppie (PDF), " disse Sanjit Ghose, scienziato capo della linea di luce presso XPD. "XRD può studiare la fase cristallina, mentre PDF può studiare la fase amorfa."

Le analisi XRD e PDF hanno rivelato risultati entusiasmanti:l'esistenza dell'idruro di litio (LiH) nell'interfase. Per decenni, gli scienziati avevano discusso se LiH esistesse nell'interfase, lasciando incertezza intorno al meccanismo di reazione fondamentale che forma l'interfase.

"Quando abbiamo visto per la prima volta l'esistenza di LiH, eravamo molto eccitati perché questa era la prima volta che veniva mostrata l'esistenza di LiH nell'interfase utilizzando tecniche con affidabilità statistica. Ma siamo stati anche cauti perché la gente ne dubita da molto tempo, "Ha detto Hu.

Co-autore Xiao-Qing Yang, un fisico nella divisione di chimica di Brookhaven, aggiunto, "LiH e fluoruro di litio (LiF) hanno strutture cristalline molto simili. La nostra affermazione di LiH potrebbe essere stata contestata da persone che credevano che avessimo identificato erroneamente LiF come LiH".

Data la controversia intorno a questa ricerca, così come le sfide tecniche che differenziano LiH da LiF, il team di ricerca ha deciso di fornire più linee di prova per l'esistenza di LiH, compreso un esperimento di esposizione all'aria.

"LiF è stabile all'aria, mentre LiH non lo è, " disse Yang. "Se esponessimo l'interfase all'aria con l'umidità, e se la quantità del composto in esame è diminuita nel tempo, questo confermerebbe che abbiamo visto LiH, non LiF. Ed è esattamente quello che è successo. Poiché LiH e LiF sono difficili da differenziare e l'esperimento di esposizione all'aria non era mai stato eseguito prima, è molto probabile che LiH sia stato erroneamente identificato come LiF, o non osservato a causa della reazione di decomposizione di LiH con l'umidità, in molti rapporti di letteratura."

Yang continuò, "La preparazione del campione eseguita al PNNL è stata fondamentale per questo lavoro. Sospettiamo inoltre che molte persone non siano state in grado di identificare LiH perché i loro campioni erano stati esposti all'umidità prima della sperimentazione. Se non si raccoglie il campione, sigillalo, e trasportarlo correttamente, ti manca."

Oltre a identificare la presenza di LiH, il team ha anche risolto un altro enigma di vecchia data incentrato su LiF. LiF è stato considerato un componente favorito nell'interfase, ma non si capiva del tutto il motivo. Il team ha identificato differenze strutturali tra LiF nell'interfase e LiF nella massa, with the former facilitating lithium ion transport between the anode and the cathode.

"From sample preparation to data analysis, we closely collaborated with PNNL, the U.S. Army Research Laboratory, and the University of Maryland, " said Brookhaven chemist Zulipiya Shadike, first author of the study. "As a young scientist, I learned a lot about conducting an experiment and communicating with other teams, especially because this is such a challenging topic."

Hu added, "This work was made possible by combining the ambitions of young scientists, wisdom from senior scientists, and patience and resilience of the team."

Beyond the teamwork between institutions, the teamwork between Brookhaven Lab's Chemistry Division and NSLS-II continues to drive new research results and capabilities.

"The battery group in the Chemistry Division works on a variety of problems in the battery field. They work with cathodes, anodes, and electrolytes, and they continue to bring XPD new issues to solve and challenging samples to study, " Ghose said. "That's exciting to be part of, but it also helps me develop methodology for other researchers to use at my beamline. Attualmente, we are developing the capability to run in situ and operando experiments, so researchers can scan the entire battery with higher spatial resolution as a battery is cycling."

The scientists are continuing to collaborate on battery research across Brookhaven Lab departments, other national labs, and universities. They say the results of this study will provide much-needed practical guidance on lithium metal anodes, propelling research on this promising material forward.