Una proprietà inaspettata dei cristalli di antimonio su scala nanometrica - la formazione spontanea di strutture cave - potrebbe contribuire a dare alla prossima generazione di batterie agli ioni di litio una maggiore densità energetica senza ridurne la durata. Le strutture cave reversibili potrebbero consentire alle batterie agli ioni di litio di contenere più energia e quindi di fornire più energia tra una carica e l'altra.
Il flusso di ioni di litio all'interno e all'esterno degli anodi delle batterie in lega è stato a lungo un fattore limitante per la quantità di energia che le batterie potevano contenere utilizzando materiali convenzionali. Un flusso eccessivo di ioni fa sì che i materiali anodici si gonfino e poi si restringano durante i cicli di carica e scarica, causando un degrado meccanico che riduce la durata della batteria. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato in precedenza nanoparticelle cave "a guscio di tuorlo" che si adattano al cambiamento di volume causato dal flusso di ioni, ma la loro fabbricazione è stata complessa e costosa.
Ora, un team di ricerca ha scoperto che particelle mille volte più piccole della larghezza di un capello umano formano spontaneamente strutture cave durante il ciclo di carica-scarica senza cambiare dimensione, consentendo un maggiore flusso di ioni senza danneggiare gli anodi. La ricerca è stata pubblicata il 1° giugno sulla rivista Nature Nanotechnology.
Piccole batterie sono state utilizzate per studiare la formazione spontanea di strutture cave su scala nanometrica nel laboratorio di Matthew McDowell del Georgia Tech. (Credit: Matthew McDowell, Georgia Tech)
"L'ingegnerizzazione intenzionale dei nanomateriali vuoti è già in atto da tempo ed è un approccio promettente per migliorare la durata e la stabilità delle batterie ad alta densità energetica", ha dichiarato Matthew McDowell, professore assistente presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering e la School of Materials Science and Engineering del Georgia Institute of Technology. "Il problema è che la sintesi diretta di queste nanostrutture cave su larga scala, necessaria per le applicazioni commerciali, è difficile e costosa. La nostra scoperta potrebbe offrire un processo più semplice e snello che potrebbe portare a prestazioni migliori in modo simile alle strutture cave intenzionalmente progettate".
I ricercatori hanno fatto la loro scoperta utilizzando un microscopio elettronico ad alta risoluzione che ha permesso loro di visualizzare direttamente le reazioni della batteria mentre avvengono su scala nanometrica. "Si tratta di un tipo di esperimento difficile, ma se si ha pazienza e si eseguono gli esperimenti nel modo giusto, si possono imparare cose molto importanti sul comportamento dei materiali nelle batterie", ha detto McDowell.
Il team, che comprende ricercatori del Politecnico di Zurigo e dell'Oak Ridge National Laboratory, ha anche utilizzato la modellazione per creare un quadro teorico per capire perché le nanoparticelle si svuotano spontaneamente - invece di restringersi - durante la rimozione del litio dalla batteria.
La capacità di formare e riempire reversibilmente le particelle cave durante il ciclo della batteria si verifica solo nei nanocristalli di antimonio rivestiti di ossido con un diametro inferiore a circa 30 nanometri. Il team di ricerca ha scoperto che questo comportamento deriva da uno strato di ossido nativo resiliente che consente l'espansione iniziale durante la litizzazione - il flusso di ioni nell'anodo - ma impedisce meccanicamente il restringimento quando l'antimonio forma vuoti durante la rimozione degli ioni, un processo noto come delitizzazione.
La scoperta è stata un po' una sorpresa, perché i lavori precedenti su materiali simili erano stati eseguiti su particelle più grandi, che si espandono e si restringono invece di formare strutture cave. "Quando abbiamo osservato per la prima volta il caratteristico comportamento di cavità, è stato molto eccitante e abbiamo capito subito che questo poteva avere importanti implicazioni per le prestazioni delle batterie", ha detto McDowell.
L'antimonio è relativamente costoso e attualmente non viene utilizzato negli elettrodi delle batterie commerciali. Ma McDowell ritiene che l'incavo spontaneo possa verificarsi anche in materiali affini meno costosi, come lo stagno. I prossimi passi comprenderanno la sperimentazione di altri materiali e la mappatura di un percorso verso la scalabilità commerciale.
"Sarebbe interessante testare altri materiali per vedere se si trasformano secondo un meccanismo di cavità simile", ha detto. "Questo potrebbe ampliare la gamma di materiali disponibili per l'uso nelle batterie. Le piccole batterie di prova che abbiamo fabbricato hanno mostrato prestazioni promettenti di carica-scarica, quindi vorremmo valutare i materiali in batterie più grandi".
Sebbene possano essere costosi, i nanocristalli di antimonio auto-cavi hanno un'altra interessante proprietà: potrebbero essere utilizzati anche nelle batterie agli ioni di sodio e di potassio, sistemi emergenti per i quali devono essere condotte molte altre ricerche.
"Questo lavoro fa progredire la nostra comprensione di come questo tipo di materiale si evolve all'interno delle batterie", ha detto McDowell. "Queste informazioni saranno fondamentali per l'implementazione di questo materiale o di materiali affini nella prossima generazione di batterie agli ioni di litio, che saranno in grado di immagazzinare più energia e di essere altrettanto durevoli delle batterie attuali".
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Questo articolo è stato pubblicato originariamente dal Georgia Institute of Technology, scritto da John Toon.
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