Visits: 34
di Hui (Claire) Xiong (professore di scienza dei materiali e ingegneria alla Boise State Universityd e Shyue Ping Ong (professore di nanoingegneria all’Università della California di San Diego)
I ricercatori della Boise State University hanno sviluppato un nuovo approccio per realizzare nuovi materiali per batterie agli ioni di litio. Partendo da un amorfo, cioè un materiale privo di ordine a lungo raggio, l’ossido di niobio, il team ha scoperto che l’atto stesso di ciclare il materiale con il litio induce una trasformazione in un nuovo anodo cristallino Nb2O5 con eccezionale accumulo di Li e cicli veloci. Questo processo può essere potenzialmente utilizzato per realizzare altri materiali per batterie agli ioni di litio che non possono essere facilmente realizzati con mezzi tradizionali.
Lo studio è stato pubblicato su Nature Materiali (https://www.nature.com/articles/s41563-022-01242-0)
La scoperta di nuovi materiali per le batterie agli ioni di litio ha assunto una rinnovata urgenza. Alimentato dall’aumento dei prezzi del gas, c’è stato un aumento della domanda di veicoli elettrici (EV) e, con esso, di batterie agli ioni di litio che li alimentano. Tuttavia, le odierne batterie agli ioni di litio sono ancora troppo costose e si caricano troppo lentamente.
“Le batterie agli ioni di litio sono la tecnologia leader per il mercato delle batterie ricaricabili, ma c’è anche un aumento della richiesta di batterie ad alta energia e tempi di ricarica più rapidi”, ha affermato Pete Barnes, Ph.D. alunno del laboratorio di materiali energetici elettrochimici di Xiong presso la Micron School of Materials Science and Engineering e autore principale del lavoro. “Se vuoi caricare il tuo veicolo elettrico per 15 minuti e poi metterti in viaggio per le prossime 200 o 300 miglia, hai bisogno di nuovi elettrodi della batteria che possano essere caricati a una velocità molto elevata senza troppa perdita di prestazioni”.
Uno dei maggiori colli di bottiglia alla ricarica delle odierne batterie agli ioni di litio c’è l’anodo. L’anodo più comune è costituito da grafite, che è molto densa di energia, ma non può essere caricata troppo rapidamente a causa del rischio di incendi ed esplosioni dovute a un processo noto come placcatura in metallo al litio. Gli ossidi metallici di intercalazione, come il materiale di salgemma Nb2O5 scoperto dal team, sono promettenti alternative anodi a causa del ridotto rischio di placcatura del litio a basse tensioni. Per creare il nuovo materiale anodico, il gruppo di Xiong ha sviluppato una nuova tecnica innovativa chiamata trasformazione da amorfa a cristallina indotta elettrochimicamente. Il nuovo elettrodo può raggiungere un’elevata capacità di accumulo di litio di 269 mAh/g con una velocità di carica di 20 mA/g e, cosa più importante, continua a mantenere un’elevata capacità di 191 mAh/g con una velocità di carica elevata di 1 A/g.
“L’aspetto più interessante di questo lavoro è la scoperta di un approccio completamente nuovo per creare nuovi elettrodi per batterie agli ioni di litio”, ha affermato Xiong. “Il trucco è partire da una fase energetica più elevata, come un materiale amorfo. Il semplice ciclo del materiale con il litio ci consente di creare nuove disposizioni cristalline che mostrano proprietà migliorate oltre a quelle realizzate con mezzi tradizionali come le reazioni allo stato solido”.
L’eccezionale velocità di prestazione dell’anodo è dovuta alla sua struttura disordinata di salgemma o DRX, che è come il normale sale da cucina da cucina ma con gli atomi di Li e Nb disposti in modo casuale. Mentre i materiali catodici DRX sono ben noti, gli anodi DRX sono relativamente rari. Utilizzando tecniche computazionali, Yunxing Zuo, un Ph.D. alunno di Ong’s Materials Virtual Lab presso la UC San Diego, ha dimostrato che il processo di inserimento di Li in Nb2O5 amorfo consente agli scienziati dei materiali di accedere a materiali metastabili. Il team ha anche sviluppato una metrica per identificare altri ossidi metallici che possono essere potenzialmente sintetizzati in modo simile. I calcoli mostrano anche che la struttura DRX contiene percorsi per una rapida diffusione del litio, con conseguenti prestazioni ad alta velocità.