Cracking in Li

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I ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di nuove tecnologie per le batterie, con l’obiettivo principale di aumentare la densità energetica e ridurre i tempi di ricarica. Uno studio condotto da un team di scienziati dell’Università del Michigan ha evidenziato un progresso significativo: le crepe nell’elettrodo positivo delle batterie agli ioni di litio possono aiutare a ridurre il tempo di ricarica della batteria.

La percezione delle crepe, solitamente note per ridurre la durata della batteria, è stata risolta utilizzando una tecnica ispirata alle neuroscienze. Ciò contraddice le convinzioni di molti produttori di auto elettriche, i quali ritengono che le rotture riducano la longevità della batteria.

"Molte aziende sono interessate a produrre batterie da 'milioni di miglia' utilizzando particelle che non si rompono. Sfortunatamente, se le crepe vengono rimosse, le particelle della batteria non saranno in grado di caricarsi rapidamente senza la superficie aggiuntiva di quelle crepe", ha affermato Yiyang Li, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, in una dichiarazione dell'università.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Energy and Environmental Sciences.

I ricercatori stimano che il loro studio si applicherà a più della metà di tutte le batterie per auto elettriche in cui l’elettrodo positivo (o catodo) è costituito da miliardi di minuscole particelle formate da ossido di litio nichel manganese cobalto o ossido di litio nichel cobalto alluminio.

"In teoria, la velocità con cui il catodo si carica dipende dal rapporto superficie-volume delle particelle. Le particelle più piccole dovrebbero caricarsi più velocemente delle particelle più grandi perché hanno un'area superficiale maggiore rispetto al volume, quindi gli ioni di litio hanno distanze più brevi da raggiungere. diffondersi attraverso di loro."

Le tecniche tradizionali, tuttavia, non sono in grado di rilevare direttamente le caratteristiche di carica delle singole particelle catodiche, ma solo la media di tutte le particelle che compongono il catodo della batteria. A causa di questo vincolo, il legame comunemente creduto tra velocità di carica e dimensione delle particelle del catodo era solo un’ipotesi.

"Abbiamo scoperto che le particelle del catodo sono incrinate e hanno superfici più attive per assorbire gli ioni di litio, non solo sulla loro superficie esterna, ma all'interno delle fessure delle particelle. Gli scienziati delle batterie sanno che si verifica la rottura, ma non hanno misurato quanto la fessurazione influisca sulla carica velocità", ha detto Jinhong Min, uno studente di dottorato nel dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali coinvolto nel progetto.

Misurare la velocità di carica delle singole particelle catodiche è stato fondamentale per determinare il beneficio del cracking dei catodi, operazione che il team ha eseguito introducendo le particelle in un dispositivo che i neuroscienziati utilizzano abitualmente per analizzare il modo in cui le singole cellule cerebrali comunicano gli impulsi elettrici.

Il team ha progettato degli array, ovvero dispositivi di 2 x 2 centimetri con un massimo di 100 microelettrodi. Un ago 70 volte più sottile di un capello umano è stato utilizzato per spostare le singole particelle sui loro elettrodi sulla serie dopo aver disperso diverse particelle catodiche al centro del dispositivo. Potevano caricare e scaricare fino a quattro singole particelle alla volta sull'array dopo che le particelle erano state posizionate e questa specifica indagine ha monitorato 21 particelle.

L'esperimento ha scoperto che la velocità di carica delle particelle catodiche era indipendente dalla loro dimensione. La spiegazione più plausibile per questo comportamento sorprendente è che le particelle più grandi si comportano come un ammasso di particelle più piccole quando si rompono. Un’altra teoria è che gli ioni di litio viaggiano molto velocemente nei confini dei grani, che sono le fessure microscopiche tra i cristalli su scala nanometrica che compongono la particella catodica. Li ritiene che ciò sia improbabile a meno che l’elettrolita nella batteria – il mezzo liquido in cui si muovono gli ioni di litio – non penetri questi limiti e formi delle fessure.

Secondo il team, quando si costruiscono batterie a lunga durata con particelle monocristalline che non si rompono bisogna considerare i vantaggi dei materiali fessurati. Potrebbe essere necessario che queste particelle siano più piccole delle dannose particelle catodiche di oggi per caricarsi velocemente. "L'alternativa è realizzare catodi monocristallini con materiali diversi che possano spostare il litio più velocemente, ma tali materiali potrebbero essere limitati dalla fornitura dei metalli necessari o avere densità di energia inferiori", ha affermato Li.