Roma – Un team della Columbia Engineering ha pubblicatoun articolo sulla rivista Joule che descrive in dettaglio come le tecniche di spettroscopia di risonanza magnetica nucleare possono essere sfruttate per progettare la superficie dell’anodo nelle batterie al litio metallico. I ricercatori presentano anche nuovi dati e interpretazioni su come questo metodo può essere utilizzato per ottenere informazioni uniche sulla struttura di queste superfici da condividere con il campo.
“Crediamo che, grazie a tutti i dati che abbiamo messo insieme, possiamo contribuire ad accelerare la progettazione delle batterie al litio metallico e a renderle sicure per i consumatori, cosa che le persone cercano di fare da più di quattro decenni”, ha affermato leader del team Lauren Marbella , professore associato di ingegneria chimica .
La promessa delle batterie al litio metallico
Le batterie che utilizzano un anodo di litio metallico invece di uno di grafite, come quelle utilizzate nei nostri telefoni cellulari e nei veicoli elettrici, consentiranno modalità di trasporto elettrificate più convenienti e versatili, compresi semirimorchi e piccoli aerei. Ad esempio, il prezzo delle batterie dei veicoli elettrici diminuirebbe offrendo allo stesso tempo una maggiore autonomia (da 400 km a >600 km).
Perché sono difficili da commercializzare
Ma la commercializzazione delle batterie al litio metallico è ancora lontana. Il litio metallico è uno degli elementi più reattivi della tavola periodica e sviluppa facilmente uno strato di passivazione che influisce sulla struttura dell’anodo stesso durante il normale utilizzo della batteria. Questo strato di passivazione è come lo strato che si sviluppa quando l’argenteria o i gioielli iniziano a ossidarsi, ma poiché il litio è così reattivo, l’anodo di litio metallico in una batteria inizierà a “appannarsi” non appena tocca l’elettrolita.
La chimica dello strato di passivazione influisce sul modo in cui gli ioni di litio si muovono durante la carica/scarica della batteria, influenzando in ultima analisi la crescita o meno dei filamenti metallici che portano a scarse prestazioni della batteria all’interno del sistema. Fino ad ora, misurare la composizione chimica dello strato di passivazione, noto dalla comunità delle batterie come interfase dell’elettrolita solido (SEI), e contemporaneamente acquisire informazioni su come si muovono gli ioni di litio situati in quello strato è stato quasi impossibile.
Marbella ha osservato: “Se avessimo queste informazioni, potremmo iniziare a tracciare collegamenti con specifiche strutture e proprietà SEI che portano a batterie ad alte prestazioni”.
Approfondimenti dal nuovo studio
Lo studio Joule distilla ricerche recenti, molte delle quali il gruppo di Marbella ha condotto o a cui ha contribuito, per presentare un caso in cui sfruttare i metodi di spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) per collegare la struttura dello strato di passivazione sul litio alla sua effettiva funzione nella batteria .
L’NMR consente ai ricercatori di sondare direttamente la velocità con cui gli ioni di litio si muovono all’interfaccia tra l’anodo di litio metallico e il suo strato di passivazione, fornendo allo stesso tempo una lettura dei composti chimici presenti su quella superficie. Mentre altri metodi di caratterizzazione, come la microscopia elettronica, possono fornire immagini sorprendenti dello strato SEI sulla superficie del litio metallico, non possono individuare l’esatta composizione chimica delle specie disordinate, né possono “vedere” il trasporto ionico. Altre tecniche in grado di sondare il trasporto del litio attraverso l’interfaccia, come le analisi elettrochimiche, non forniscono informazioni chimiche.
Esaminando i dati raccolti nel laboratorio di Marbella negli ultimi sei anni, il team ha scoperto che l’NMR può rilevare in modo univoco i cambiamenti nella struttura dei composti nel SEI sul litio metallico, il che è fondamentale per spiegare alcune delle sue relazioni struttura-proprietà più sfuggenti. I ricercatori ritengono che per sviluppare e far avanzare lo sviluppo delle batterie al litio metallico sarà necessaria la combinazione di più tecniche, come NMR, altre spettroscopie, microscopia, simulazioni al computer e metodi elettrochimici.
L’applicazione dei metodi NMR svela nuove intuizioni
Quando i ricercatori espongono il litio metallico a diversi elettroliti, spesso osservano parametri di prestazione diversi. L’esperimento NMR di Marbella mostra che questi cambiamenti nelle prestazioni derivano dal fatto che diverse composizioni di elettroliti creano composizioni SEI distinte e forniscono ioni di litio alla superficie dell’anodo a velocità diverse. Nello specifico, quando le prestazioni della batteria al litio metallico migliorano, aumenta la velocità di scambio del litio con la superficie. Ora possono anche vedere come dovrebbe essere disposto lo strato di passivazione. Per ottenere le migliori prestazioni, i diversi composti chimici devono essere sovrapposti uno sopra l’altro nel SEI, anziché distribuiti in modo casuale.
Gli esperimenti di scambio dimostrati nel nuovo studio possono essere utilizzati dagli scienziati dei materiali per aiutare a vagliare le formulazioni di elettroliti per batterie al litio metallico ad alte prestazioni e per identificare i composti superficiali nel SEI necessari per prestazioni elevate. Marbella aggiunge che la NMR è una delle poche tecniche – se non l’unica – in grado di sondare i cambiamenti strutturali locali dei composti nel SEI per affrontare il modo in cui i materiali ionicamente isolanti possono consentire il trasporto veloce degli ioni di litio nel SEI. “Una volta che sappiamo quali cambiamenti strutturali stanno avvenendo – ad esempio, se cose come il fluoruro di litio diventano amorfe, difettose, di dimensioni nanometriche – allora possiamo ingegnerizzarli intenzionalmente e progettare batterie al litio metallico che soddisfino i parametri prestazionali richiesti per la commercializzazione. L’esperimento NMR è uno dei pochi in grado di svolgere questo compito e di fornirci le informazioni essenziali per portare avanti la progettazione della superficie dell’anodo”.
Guardando al futuro,
il gruppo di Marbella sta attualmente utilizzando l’NMR di scambio abbinato all’elettrochimica per fornire una comprensione più approfondita della composizione e delle proprietà del SEI in diversi elettroliti per le batterie al litio metallico. Stanno inoltre sviluppando sistemi in grado di determinare il ruolo dei singoli componenti chimici nel trasporto degli ioni di litio attraverso il SEI.(30Science.com)
