Una nuova ricerca descrive l'evoluzione degli atomi di litio nanostrutturali (blu) che si depositano su un elettrodo (giallo) durante l'operazione di ricarica della batteria. Immagine per gentile concessione dell'Idaho National Laboratory
I ricercatori dell'Idaho National Laboratory che lavorano con l'Università della California, San Diego, hanno mostrato miglioramenti nel comportamento di ricarica. I risultati suggeriscono strategie che miglioreranno la ricarica e aumenteranno la longevità della batteria. La ricerca avvincente per la produzione di metalli vetrosi:
Rispetto al litio cristallino, il litio vetroso ha prestazioni migliori in termini di reversibilità elettrochimica ed è una struttura desiderata per le batterie ricaricabili ad alta energia, hanno scritto gli autori. "
Lo studio pubblicato su Nature Materials di Wang, X., Pawar, G., Li, Y. et al. Anodo metallico Li Glassy per batterie Li ricaricabili ad alte prestazioni. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0729-1
Qui, la microscopia elettronica a trasmissione criogenica è stata utilizzata per rivelare la nanostruttura in evoluzione dei depositi di metallo Li in vari stati transitori nel processo di nucleazione e crescita, in cui è stata osservata una transizione di fase disordine-ordine in funzione della densità di corrente e del tempo di deposizione . L'interazione atomica su ampie scale spaziali e temporali è stata rappresentata da simulazioni di dinamica molecolare reattiva per aiutare a comprendere la cinetica. Rispetto al Li cristallino, il Li vetroso ha prestazioni migliori in termini di reversibilità elettrochimica e ha una struttura desiderata per batterie Li ricaricabili ad alta energia.
I nostri risultati correlano la cristallinità dei nuclei con la successiva crescita della nanostruttura e della morfologia e forniscono strategie per controllare e modellare la mesostruttura del metallo Li per ottenere prestazioni elevate nelle batterie Li ricaricabile.
—Wang et al.Storia completa:
Pubblicato originariamente dall'Idaho National Laboratory
Gli scienziati dei materiali che esaminavano i primi momenti di ricarica della batteria hanno incontrato un'entità sorprendente. La loro scoperta ha sfidato le aspettative, la logica e l'esperienza. Ancora più importante, potrebbe aprire la porta a batterie migliori, catalizzatori più veloci e altri progressi nella scienza dei materiali.
Gli scienziati dell'Idaho National Laboratory e dell'Università della California di San Diego hanno studiato le prime fasi della ricarica del litio a livello atomico. Con loro sorpresa, hanno appreso che una carica lenta e a bassa energia ha causato il deposito di atomi di litio sugli elettrodi in modo disorganizzato che migliora il comportamento di carica. Questo litio "vetro" non cristallino non era mai stato osservato e la creazione di tali metalli amorfi è stata tradizionalmente estremamente difficile.
I risultati suggeriscono strategie per perfezionare gli approcci di ricarica per aumentare la durata della batteria e, cosa interessante, per produrre metalli vetrosi per altre applicazioni. Lo studio è apparso online questa settimana su Nature Materials .
Il litio metallico è considerato un anodo ideale per le batterie ricaricabili ad alta energia, che devono essere leggere ma immagazzinare molta energia. La ricarica di tali batterie comporta il deposito di atomi di litio sulla superficie dell'anodo, un processo che non è ben compreso a livello atomico.
Gli scienziati sanno che gli anodi al litio metallico possono ricaricarsi in modo irregolare e, di conseguenza, non possono resistere a molti cicli di ricarica. Il modo in cui gli atomi di litio si depositano sull'anodo può variare da un ciclo di ricarica all'altro, probabilmente influenzato dalla prima aggregazione dei primi atomi, un processo noto come nucleazione.
"Quella nucleazione iniziale può influire sulle prestazioni, sulla sicurezza e sull'affidabilità della batteria", ha affermato Gorakh Pawar, uno scienziato del personale dell'INL e uno dei due autori principali del documento. "È fondamentale comprendere il meccanismo alla base della deposizione di litio... specialmente nella primissima fase di nucleazione", hanno scritto.
Per scoprire come gli atomi di litio si uniscono per la prima volta durante la ricarica, i ricercatori hanno combinato immagini e analisi da un potente microscopio elettronico con raffreddamento ad azoto liquido e modellazione al computer. L'approccio pionieristico della microscopia elettronica a criostato ha permesso loro di vedere la creazione di "embrioni" di litio metallico e le simulazioni al computer hanno aiutato a spiegare ciò che hanno visto.
Il litio, come altri metalli, esiste tipicamente in una fase cristallina strutturata. Tale litio "granuloso" può portare a ricariche incoerenti e cortocircuiti perché i cristalli possono crescere in varie forme, ha detto Pawar. La progressione incoerente della crescita del litio da un ciclo di ricarica all'altro si traduce in forme irregolari (dette anche dendriti) e può ridurre la durata della batteria.
Quando il team di ricerca ha cercato di comprendere il processo di nucleazione iniziale, è rimasto sorpreso nell'apprendere che determinate condizioni hanno creato una forma meno strutturata di litio che era amorfa (come il vetro) piuttosto che cristallina (come il diamante).
"Il potere dell'imaging criogenico per scoprire nuovi fenomeni nella scienza dei materiali è mostrato in questo lavoro", ha affermato Shirley Meng, che ha guidato il lavoro pionieristico di criomicroscopia dell'UC San Diego. Ha affermato che i dati di imaging e spettroscopici ottenuti sono spesso contorti e complicati, osservando:"È un vero lavoro di squadra che ci ha permesso di interpretare i dati sperimentali con sicurezza perché la modellazione computazionale ha aiutato a decifrare la complessità".
Rispetto al litio cristallino, il litio vetroso ha prestazioni superiori in termini di reversibilità elettrochimica ed è una struttura desiderata per le batterie ricaricabili ad alta energia", hanno scritto gli autori. La scoperta è stata uno shock perché i metalli elementari amorfi puri non erano mai stati osservati prima. Sono estremamente difficili da produrre e solo poche miscele metalliche (leghe) sono state osservate con una configurazione "vetrosa", che conferisce potenti proprietà del materiale.
Inoltre, il team ha appreso che è più probabile che un embrione di litio vetroso mantenga la sua struttura amorfa durante la crescita. Mentre i ricercatori hanno lavorato per capire quali condizioni favorissero la nucleazione vetrosa, sono rimasti di nuovo scioccati.
"Possiamo produrre metallo amorfo in condizioni molto miti a una velocità di carica molto lenta", ha affermato Boryann Liaw, un collega della direzione dell'INL e responsabile dell'INL del lavoro. "È piuttosto sorprendente."
Quel risultato era controintuitivo perché si pensava che tassi di deposizione lenti avrebbero consentito agli atomi di trovare la loro strada in una matrice ordinata:il litio granuloso. Trovare il litio vetroso in tali condizioni era considerato impensabile, ha detto Liaw. Il lavoro di modellazione ha spiegato come la cinetica di reazione competa con la cristallizzazione per guidare la formazione vetrosa. Il team ha confermato questi risultati creando forme vetrose di altri quattro metalli reattivi che sono attraenti per le applicazioni delle batterie.
La ricerca suggerisce come ottenere meglio i depositi di litio vetrosi durante la ricarica di batterie ad alta energia. Se applicato, il risultato potrebbe aiutare a raggiungere gli obiettivi del consorzio Battery500, un'iniziativa del Dipartimento dell'Energia che ha finanziato la ricerca. Il consorzio mira a sviluppare batterie per veicoli elettrici commercialmente valide con un'energia specifica a livello di cella di 500 Wh/kg.
"La vera innovazione deve venire dalla comprensione scientifica di base di qualsiasi materiale o processo", ha affermato Liaw. Inoltre, questa nuova comprensione potrebbe portare a catalizzatori metallici più efficaci, rivestimenti metallici più resistenti e altre applicazioni che potrebbero trarre vantaggio dai metalli vetrosi.
.Correlazione tra cristallinità del metallo Li e prestazioni (a sinistra) e strategie per ottenere prestazioni migliori (a destra). Le prestazioni (a sinistra) sono specificate come le prestazioni elettrochimiche del metallo Li come anodo per batterie Li metallo, inclusa l'elevata efficienza coulombica (CE), la lunga durata del ciclo, la variazione di volume ridotta e l'assenza di dendriti di Li. La connessione strutturale è indicata come la capacità di mantenere il percorso elettronico e ionico per il trasferimento di carica e il trasporto di ioni; una scarsa connessione strutturale faciliterà l'attività elettrochimica persa e formerà Li "morto". La reversibilità elettrochimica è misurata dal rapporto di contenuto del Li spogliato rispetto al Li placcato, che dovrebbe essere vicino al 100%. La densità di deposito ideale dovrebbe essere coerente con la densità teorica del metallo Li (0,534 g cm–3). Le strategie proposte come l'utilizzo del substrato 3D, la modifica della densità di corrente, l'ingegneria dell'interfase e la progettazione di elettroliti possono alterare il trasferimento di energia e il trasferimento di massa di EDLi durante la nucleazione e la crescita, risultando così in varia cristallinità di EDLi. Wang et al.
