Crepe nel litio

Aug 22, 2023

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Invece di essere esclusivamente dannose, le crepe nell’elettrodo positivo delle batterie agli ioni di litio riducono il tempo di ricarica della batteria, come dimostra una ricerca condotta presso l’Università del Michigan.

Ciò è contrario al punto di vista di molti produttori di veicoli elettrici, che cercano di ridurre al minimo le rotture perché ciò diminuisce 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 extra di quelle crepe”, ha detto Yiyang Li, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali e autore corrispondente dello studio pubblicato su Energy and Scienze Ambientali.

“Durante un viaggio, non vogliamo aspettare cinque ore affinché l'auto si ricarichi. Vogliamo caricare entro 15 o 30 minuti."

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Il team ritiene che i risultati si applichino a più della metà di tutte le batterie per veicoli elettrici, in cui l’elettrodo positivo – o catodo – è composto da trilioni di particelle microscopiche costituite da ossido di litio nichel manganese cobalto o ossido di litio nichel cobalto alluminio. Teoricamente, 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 una superficie maggiore rispetto al volume, quindi gli ioni di litio hanno distanze più brevi per diffondersi attraverso di esse.

Tuttavia, i metodi convenzionali non sono in grado di misurare direttamente le proprietà di carica delle singole particelle catodiche, ma solo la media di tutte le particelle che compongono il catodo della batteria. Questa limitazione significa che la relazione ampiamente accettata tra velocità di carica e dimensione delle particelle del catodo era semplicemente un presupposto.

"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", ha affermato Jinhong Min, uno studente di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali che lavora nel laboratorio di Li. . “Gli scienziati delle batterie sanno che si verificano le rotture, ma non hanno misurato in che modo tali rotture influiscono sulla velocità di ricarica”.

Misurare la velocità di carica delle singole particelle catodiche è stato fondamentale per scoprire i vantaggi della rottura dei catodi, cosa che Li e Min hanno ottenuto inserendo le particelle in un dispositivo che viene tipicamente utilizzato dai neuroscienziati per studiare come le singole cellule cerebrali trasmettono segnali elettrici.

“Quando ero alla scuola di specializzazione, un collega che studiava neuroscienze mi mostrò questi array che usavano per studiare i singoli neuroni. Mi chiedevo se potessimo usarli anche per studiare le particelle delle batterie, che sono di dimensioni simili ai neuroni”, ha detto Li.

Ogni array è un chip progettato su misura di 2 x 2 centimetri con un massimo di 100 microelettrodi. Dopo aver sparso alcune particelle catodiche al centro del chip, Min ha spostato le singole particelle sui propri elettrodi sulla matrice utilizzando un ago circa 70 volte più sottile di un capello umano. Una volta posizionate le particelle, Min ha potuto caricare e scaricare simultaneamente fino a quattro singole particelle alla volta sulla matrice e in questo particolare studio ha misurato 21 particelle.

L'esperimento ha rivelato che la velocità di carica delle particelle catodiche non dipendeva dalla loro dimensione. Li e Min ritengono che la spiegazione più probabile per questo comportamento inaspettato sia che le particelle più grandi si comportano effettivamente come un insieme di particelle più piccole quando si rompono. Un’altra possibilità è che gli ioni di litio si muovano molto rapidamente nei confini dei grani, i minuscoli spazi tra i cristalli su scala nanometrica che compongono la particella catodica. Li ritiene che ciò sia improbabile a meno che l'elettrolita della batteria, il mezzo liquido in cui si muovono gli ioni di litio, non penetri questi confini, formando crepe.