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

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A technique to guide the development of faster and longer lasting next-generation batteries a) Immagini ottiche che mostrano la formazione di cricche in una singola particella a forma di bastoncino di Nb14w3o44. Le linee tratteggiate nere evidenziano i fronti degli ioni di litio che si propagano dalla fessura. b) Immagine ottica di una particella fratturata, dopo 20 cicli di carica-scarica. Il frammento più luminoso ha un contenuto di Li più elevato, suggerendo che è diventato inattivo. Le barre della scala sono 5 μm. c) Estensione della frattura delle particelle in una popolazione fissa di particelle attive, oltre 15 cicli di carica-scarica. Credito: Team di ricerca, Laboratorio Cavendish, Dipartimento di Fisica, Università di Cambridge

Tecnologie pulite ed efficienti per lo stoccaggio dell’energia 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, sono necessari ulteriori sviluppi per migliorare le loro tariffe di ricarica e la vita utile.

Per favorire lo sviluppo di tali batterie più veloci e di 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, la visualizzazione dei 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 possono acquisire 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.

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I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno superato questo problema sviluppando una tecnica di microscopia ottica di laboratorio a basso costo per studiare le batterie agli ioni di litio. Hanno esaminato singole particelle di Nb14w3o44, che è tra i materiali per anodi di ricarica più veloci 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, provocando una deformazione 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 potrebbero mai essere osservati in tempo reale prima d’ora”, afferma il coautore Dr. Christoph Schnedermann, del Cavendish Laboratory di Cambridge.

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Le capacità ad alto rendimento della tecnica di microscopia ottica hanno consentito 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 la capacità di dissolvenza in questa classe di materiali”, afferma la prima autrice Alice Merryweather, dottoranda presso il Cavendish Laboratory and Chemistry Department di Cambridge.

Andando avanti, i vantaggi chiave della metodologia, tra cui l’acquisizione rapida dei dati, la risoluzione di una singola particella e le capacità di throughput elevate, consentiranno un’ulteriore esplorazione di ciò che accade 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.

La ricerca è stata pubblicata in Materiali della natura.


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