Una tecnica per guidare lo sviluppo di batterie di prossima generazione più veloci e più durature

Tecnologie di stoccaggio dell’energia pulite ed efficienti sono essenziali per creare un’infrastruttura per l’energia rinnovabile.Le batterie agli ioni di litio sono già dominanti nei dispositivi elettronici personali e sono candidati promettenti per lo stoccaggio affidabile a livello di rete e per i veicoli elettrici.Tuttavia, è necessario un ulteriore sviluppo per migliorare le tariffe di ricarica e la durata utile.

Per favorire lo sviluppo di batterie dalla ricarica più rapida e dalla maggiore durata, gli scienziati devono essere in grado di comprendere i processi che si verificano all'interno di una batteria in funzione, per identificare i limiti alle prestazioni della batteria.Attualmente, visualizzare i materiali attivi della batteria mentre funzionano richiede sofisticate tecniche di microscopia elettronica o a raggi X di sincrotrone, che possono essere difficili e costose, e spesso non sono in grado di ottenere immagini abbastanza rapidamente per catturare i rapidi cambiamenti che si verificano nei materiali degli elettrodi a carica rapida.Di conseguenza, la dinamica ionica sulla scala della lunghezza delle singole particelle attive e a velocità di carica rapida rilevanti dal punto di vista commerciale rimane in gran parte inesplorata.

I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno superato questo problema sviluppando una tecnica di microscopia ottica a basso costo da laboratorio per studiare le batterie agli ioni di litio.Hanno esaminato le singole particelle di Nb14W3O44, che è tra i materiali anodici a carica più rapida fino ad oggi.La luce visibile viene inviata alla batteria attraverso una piccola finestra di vetro, consentendo ai ricercatori di osservare il processo dinamico all'interno delle particelle attive, in tempo reale, in condizioni realistiche di non equilibrio.Ciò ha rivelato gradienti di concentrazione di litio simili a quelli frontali che si muovono attraverso le singole particelle attive, con conseguente tensione interna che ha causato la frattura di alcune particelle.La frattura delle particelle è un problema per le batterie, poiché può portare alla disconnessione elettrica dei frammenti, riducendo la capacità di accumulo della batteria."Tali eventi spontanei hanno gravi implicazioni per la batteria, ma non avrebbero mai potuto essere osservati in tempo reale prima d'ora", afferma il coautore Dr Christoph Schnedermann, del Cavendish Laboratory di Cambridge.

Le capacità ad alto rendimento della tecnica di microscopia ottica hanno permesso ai ricercatori di analizzare un'ampia popolazione di particelle, rivelando che il cracking delle particelle è più comune con tassi di delitiazione più elevati e in particelle più lunghe."Questi risultati forniscono principi di progettazione direttamente applicabili per ridurre la frattura delle particelle e lo sbiadimento della capacità in questa classe di materiali", afferma la prima autrice Alice Merryweather, dottoranda presso il Cavendish Laboratory and Chemistry Department di Cambridge.

Andando avanti, i principali vantaggi della metodologia – tra cui la rapida acquisizione dei dati, la risoluzione di singole particelle e le capacità di throughput elevato – consentiranno un’ulteriore esplorazione di cosa succede quando le batterie si guastano e come prevenirlo.La tecnica può essere applicata per studiare quasi ogni tipo di materiale per batterie, rendendolo un pezzo importante del puzzle nello sviluppo delle batterie di prossima generazione.