Prestazioni elevate in ambienti gelidi
Materiali con espansione termica negativa come elettrodi per batterie agli ioni di litio
La maggior parte dei solidi si espande all'aumentare della temperatura e si restringe quando si raffredda. Alcuni materiali si comportano diversamente e si espandono al freddo. Tra questi c'è il fosfato di litio e titanio, che potrebbe essere una soluzione al problema del forte calo di prestazioni delle batterie agli ioni di litio in ambienti freddi. Sulla rivista Angewandte Chemie, un team cinese ne dimostra l'idoneità come materiale elettrodico per le batterie ricaricabili.
Le batterie agli ioni di litio e ad altri ioni metallici alimentano i nostri dispositivi portatili, guidano i veicoli e immagazzinano energia solare ed eolica. Tutto questo funziona bene finché fa caldo. Se le temperature si abbassano, le prestazioni delle batterie possono diminuire in modo significativo: un problema per i veicoli elettrici, le applicazioni aerospaziali e militari, ad esempio. Le contromisure, come riscaldatori integrati, elettroliti migliorati o rivestimenti degli elettrodi, aumentano il costo e la complessità della produzione delle batterie o ne riducono le prestazioni.
Una delle cause del problema del raffreddamento è la diffusione rallentata degli ioni di litio all'interno del materiale dell'elettrodo. È qui che interviene il team della Donghua University e della Fudan University di Shanghai e della Inner Mongolia University di Hohhot, proponendo un nuovo approccio: Elettrodi realizzati con materiali per l'accumulo di energia elettrochimica con espansione termica negativa (NTE), come il fosfato di litio e titanio LiTi2(PO4)3 (LTP). Il team guidato da Liming Wu, Chunfu Lin e Renchao Che ha utilizzato l'LTP come sostanza modello per dimostrare che i materiali per elettrodi con proprietà NTE possono funzionare bene a basse temperature.
L'analisi della struttura cristallina ha rivelato un reticolo tridimensionale di ottaedri di TiO6 e tetraedri di PO4 con una struttura aperta e flessibile e "grotte" e "canali" in cui si depositano gli ioni di litio. Al raffreddamento, la struttura si espande lungo uno degli assi cristallini. Utilizzando analisi spettrometriche e al microscopio elettronico e calcoli al computer, il team ha scoperto che i modi di vibrazione degli atomi cambiano a basse temperature. Le vibrazioni trasversali di alcuni atomi di ossigeno sono più frequenti. Questo aumenta le distanze tra di loro, allargando le cavità del reticolo e facilitando così l'immagazzinamento e il trasporto degli ioni di litio. A -10 °C, la loro velocità di diffusione raggiunge ancora l'84% del valore a 25 °C. I test elettrochimici sugli LTP rivestiti di carbonio hanno mostrato buone prestazioni elettrochimiche anche a -10 °C, con un'elevata capacità e un'alta velocità di scarica, nonché un'altissima ritenzione di capacità su 1000 cicli di carica/scarica.
I materiali con espansione termica negativa rappresentano quindi un approccio promettente come materiale per elettrodi nelle batterie agli ioni di litio per ambienti freddi.
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