Innovazione nella tecnologia delle batterie: guarda le batterie ricche di litio a livello atomico – Scientific Exploration-cnBeta.COM

Da quando Volta ha impilato lastre di rame e zinco 200 anni fa, la tecnologia delle batterie ha fatto grandi progressi.Sebbene la tecnologia continui a evolversi dalle batterie piombo-acido alle batterie agli ioni di litio, rimangono molte sfide, come raggiungere densità più elevate e inibire la crescita dei dendriti. Gli esperti stanno correndo per risolvere la crescente domanda mondiale di batterie sicure e efficienti dal punto di vista energetico.

L’elettrificazione di veicoli pesanti e aerei richiede batterie con una maggiore densità di energia. Il team di ricerca ritiene che per avere un impatto significativo sulla tecnologia delle batterie in questi settori sia necessario un cambiamento di paradigma. Questa trasformazione utilizzerà il meccanismo di riduzione dell’ossidazione anionica dell’anodo ricco di litio. I risultati dello studio, pubblicati su Nature, segnano la prima volta che questa reazione di ossidazione anionica è stata osservata direttamente nei materiali delle batterie ricchi di litio.

Le istituzioni collaborative includono la Carnegie Mellon University, la Tohoku University, la Lappeenranta-Lahti University of Technology (LUT), le istituzioni giapponesi tra cui Gunma University, Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), Yokohama National University, Kyoto University e Ritsumeikan University.

Gli ossidi ricchi di litio sono una classe promettente di materiali catodici perché hanno dimostrato di avere capacità di stoccaggio molto più elevate. Tuttavia, c’è un “problema totale” che i materiali della batteria devono soddisfare: il materiale deve essere in grado di caricarsi rapidamente, essere stabile a temperature estreme e ruotare in modo affidabile migliaia di volte. Gli scienziati hanno bisogno di una chiara comprensione di come funzionano questi ossidi a livello atomico e come funzionano i loro meccanismi elettrochimici di base per risolvere questo problema.

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Le normali batterie agli ioni di litio funzionano attraverso l’ossidazione positiva e quando il litio viene introdotto o rimosso, gli ioni metallici cambiano il loro stato di ossidazione. In questo frame di input, ogni ione metallico può immagazzinare solo uno ione di litio. Tuttavia, i catodi ricchi di litio possono immagazzinare di più. I ricercatori attribuiscono questo al meccanismo dell’ossidazione anionica, in questo caso l’ossigeno dell’ossigeno. Questo è il meccanismo ad alta capacità del materiale e l’accumulo di energia è quasi raddoppiato rispetto al catodo convenzionale. Sebbene questo meccanismo redox sia diventato un importante concorrente della tecnologia delle batterie, è un fulcro per la ricerca sulla chimica dei materiali.

Il team ha deciso di utilizzare lo scattering Compton per fornire prove conclusive per il meccanismo redox. Lo scattering Compton si riferisce al fenomeno dei fotoni e delle particelle (di solito elettroni) che interagiscono tra loro e deviano da un percorso rettilineo. I ricercatori hanno condotto complessi studi teorici e sperimentali presso SPring-8, il più grande impianto di radiazione di sincrotrone di terza generazione al mondo, gestito da JASRI. La radiazione di sincrotrone include un raggio stretto e forte di radiazione elettromagnetica, che viene prodotto quando un raggio di elettroni viene accelerato (quasi) alla velocità della luce e costretto a viaggiare in un percorso curvo da un campo magnetico. La prosa di Compton diventa visibile. I ricercatori hanno osservato come sono stati ripresi e mappati gli orbitali elettronici al centro dell’attività redox stabile e reversibile, determinandone le proprietà e la simmetria. Questa iniziativa scientifica potrebbe essere un punto di svolta per la futura tecnologia delle batterie.

Sebbene studi precedenti abbiano suggerito spiegazioni alternative per il meccanismo redox degli anioni, non possono fornire un quadro chiaro degli orbitali elettronici quantistici associati alle reazioni redox, perché questo non può essere misurato con esperimenti standard.

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Quando il team di ricerca ha visto per la prima volta la coerenza tra i risultati teorici e sperimentali in termini di proprietà redox, si è reso conto che il lavoro analitico poteva descrivere lo stato dell’ossigeno responsabile del meccanismo redox, che è fondamentale per la ricerca sulle batterie.

“Abbiamo forti prove a sostegno del meccanismo redox nei materiali delle batterie ricchi di litio”, ha affermato Venkat Viswanathan, assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria meccanica della Carnegie Mellon University. “La nostra ricerca fornisce un quadro chiaro del funzionamento delle batterie ricche di litio su scala atomica e suggerisce un percorso per la progettazione della prossima generazione di catodi per ottenere il volo elettrico. La progettazione di catodi ad alta densità di energia rappresenta la prossima frontiera del batterie.”

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