Secondo i resoconti dei media stranieri, un gruppo di ricercatori del Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha determinato nuovi dettagli sul meccanismo di reazione interna delle batterie all’anodo metallico di litio. , Un passo importante per le batterie dei veicoli elettrici più economiche.

Ricercatori di batterie presso il Brookhaven National Laboratory (fonte immagine: Brookhaven National Laboratory)

Rigenerazione dell’anodo di litio

Dagli smartphone ai veicoli elettrici, possiamo vedere la tradizione. Sebbene le batterie al litio abbiano consentito l’ampio utilizzo di molte tecnologie, devono ancora affrontare sfide nel fornire energia a lunga distanza per i veicoli elettrici.

Battery500, un’alleanza guidata da ricercatori universitari finanziati dal Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, mira a creare una cella di batteria con una densità di energia di 500 Wh/kg. In altre parole, è il doppio della densità di energia delle batterie più avanzate di oggi. A tal fine, l’alleanza si concentra su batterie realizzate con anodi metallici al litio.

Le batterie al litio metallico utilizzano il litio metallico come anodo. Al contrario, la maggior parte delle batterie al litio utilizza la grafite come anodo. “L’anodo di litio è uno dei fattori chiave per raggiungere l’obiettivo della densità energetica di Battery500″, hanno affermato i ricercatori. “Il vantaggio è che la densità di energia è doppia rispetto a quella delle batterie esistenti. Innanzitutto, la capacità specifica dell’anodo è molto elevata; in secondo luogo, puoi avere una batteria a voltaggio più elevato e la combinazione dei due può avere una densità di energia più elevata”.

Gli scienziati hanno da tempo riconosciuto i vantaggi degli anodi di litio; infatti l’anodo al litio metallico è il primo anodo accoppiato al catodo della batteria. Tuttavia, a causa della mancanza di “reversibilità” dell’anodo, ovvero la capacità di caricare attraverso una reazione elettrochimica reversibile, i ricercatori delle batterie hanno finito per utilizzare anodi di grafite invece di anodi di litio metallico per realizzare batterie al litio.

Ora, dopo decenni di progressi, i ricercatori sono fiduciosi di realizzare un anodo metallico di litio reversibile per spingere i limiti delle batterie al litio. La chiave è l’interfaccia, lo strato di materiale solido che si forma sugli elettrodi della batteria durante la reazione elettrochimica.

“Se possiamo comprendere appieno questa interfaccia, può fornire una guida importante per la progettazione dei materiali e la produzione di anodi di litio reversibili”, hanno affermato i ricercatori. “Ma comprendere questa interfaccia è una vera sfida perché è uno strato di materiale molto sottile, spesso solo pochi nanometri, ed è sensibile all’aria e all’umidità, quindi la manipolazione dei campioni è difficile”.

Questa interfaccia è visualizzata in NSLS-II

Per risolvere queste sfide e “vedere” la composizione chimica e la struttura dell’interfaccia, i ricercatori hanno utilizzato la National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti del DOE Science Office del Brookhaven National Laboratory, che produce raggi X super luminosi per studiare le proprietà del materiale dell’interfaccia su scala atomica.

Oltre a utilizzare le funzionalità avanzate di nSLS-II, il team deve anche utilizzare una linea di raggi (stazione sperimentale) in grado di rilevare tutti i componenti dell’interfaccia e utilizzare raggi X ad alta energia (lunghezza d’onda corta) per rilevare il cristallino e fasi amorfe.

“Il team di chimica ha adottato l’approccio multimodale XPD, utilizzando due diverse tecniche fornite dalla linea di luce, la diffrazione dei raggi X (XRD) e l’analisi della funzione di distribuzione (PDF)”, hanno affermato i ricercatori. “XRD può studiare le fasi cristalline e PDF può studiare le fasi amorfe.”

L’analisi XRD e PDF ha rivelato risultati entusiasmanti: l’idruro di litio (LiH) è presente nell’interfaccia. Per decenni, gli scienziati hanno discusso dell’esistenza di LiH nell’interfaccia, creando incertezza sul meccanismo di reazione di base che forma l’interfaccia.

“LiH e fluoruro di litio (LiF) hanno strutture cristalline molto simili. La nostra affermazione sulla scoperta di LiH è stata messa in dubbio da alcune persone che credono che scambiamo LiF per LiH”, ha detto il ricercatore.

In considerazione della controversia coinvolta nello studio e delle sfide tecniche legate alla distinzione di LiH da LiF, il team di ricerca ha deciso di fornire più prove dell’esistenza di LiH, compresa la conduzione di esperimenti di esposizione all’aria.

“I ricercatori hanno affermato: “LiF è stabile nell’aria, ma LiH è instabile. Se esponiamo l’interfaccia all’aria umida e se la quantità di composto diminuisce nel tempo, possiamo confermare che stiamo effettivamente vedendo LiH, non LiF, ed è LiF. A causa della difficoltà di distinguere LiH da LiF e l’esperimento di esposizione all’aria non è mai stato eseguito prima, è molto probabile che LiH venga scambiato per LiF in molti rapporti di letteratura, o non viene osservato a causa della decomposizione di LiH in un ambiente umido. ”

Il ricercatore ha continuato. “Il lavoro di preparazione del campione svolto da PNNL è fondamentale per questa ricerca. Sospettiamo che molte persone non riescano a identificare LiH perché i loro campioni sono stati esposti a un ambiente umido prima dell’esperimento”. Se non hai raccolto correttamente i campioni, sigilla i campioni e i campioni di spedizione, potresti perdere LiH. ”

Oltre a confermare l’esistenza di LiH, il team ha anche risolto un altro mistero di vecchia data che circonda LiF. LiF è stato a lungo considerato un componente utile dell’interfaccia, ma nessuno ne comprende appieno il motivo. Il team ha determinato le differenze strutturali di LiF all’interno dell’interfaccia e la maggior parte delle differenze strutturali di LiF stesso e ha scoperto che il primo ha promosso il trasporto di ioni di litio tra l’anodo e il catodo.

Gli scienziati delle batterie del Brookhaven National Laboratory, altri laboratori nazionali e università continuano a collaborare. I ricercatori hanno affermato che questi risultati forniranno una guida pratica tanto necessaria per lo sviluppo di anodi di litio metallico.