Le parti invisibili delle batterie sono finalmente visibili grazie a una tecnica pionieristica
Un nuovo metodo rivela i punti deboli degli elettrodi delle batterie
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I ricercatori dell'Università di Oxford hanno sviluppato un nuovo potente metodo per visualizzare un componente essenziale dell'elettrodo delle batterie agli ioni di litio che prima era estremamente difficile da tracciare. La scoperta, pubblicata su Nature Communications, potrebbe portare a una maggiore efficienza produttiva degli elettrodi delle batterie e, in ultima analisi, contribuire a migliorare la velocità di carica e la durata delle batterie agli ioni di litio.
Strati nanoscopici di carbossimetilcellulosa (CMC) e agglomerati di gomma stirene butadiene (SBR) su particelle di grafite rilevati con l'imaging di elettroni retrodiffusi selettivi in energia (EsB) in un anodo agli ioni di litio realizzato in laboratorio dopo la bromurazione. La differenza di stabilità tra SBR bromurato e CMC bromurato durante l'imaging elettronico consente di distinguere entrambi i leganti singolarmente nell'immagine EsB. L'immagine EsB è stata colorata per facilitare la distinzione delle diverse fasi del legante.
Stanislaw Zankowski
Lo studio si è concentrato sui moderni leganti polimerici utilizzati negli elettrodi negativi delle batterie agli ioni di litio (anodi). Questi leganti svolgono un ruolo fondamentale nel tenere insieme gli elettrodi delle batterie, influenzandone la stabilità meccanica, la conducibilità elettrica e ionica e la durata del ciclo. Tuttavia, poiché costituiscono meno del 5% del peso dell'elettrodo e non hanno caratteristiche distinte, la loro distribuzione negli anodi è stata quasi impossibile da visualizzare o controllare. Ciò ha ostacolato gli sforzi per migliorare le prestazioni delle batterie, poiché il posizionamento del legante influenza direttamente la conduttività, la stabilità e la durata a lungo termine dell'elettrodo.
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di colorazione innovativa, in attesa di brevetto, che utilizza marcatori tracciabili di argento e bromo per marcare i leganti commerciali derivati dalla cellulosa e dal lattice negli anodi a base di grafite e silicio. Queste etichette rendono visibili i leganti producendo raggi X caratteristici (misurati con la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia) o riflettendo elettroni ad alta energia dalla superficie del campione (misurati con l'imaging di elettroni retrodiffusi a selezione energetica). Se rilevati con un microscopio elettronico, questi metodi forniscono informazioni precise sulla distribuzione degli elementi e sulla topografia della superficie.
L'autore principale, il dottor Stanislaw Zankowski (Dipartimento di Materiali dell'Università di Oxford), ha dichiarato: "Questa tecnica di colorazione apre una serie di strumenti completamente nuovi per capire come si comportano i moderni leganti durante la produzione degli elettrodi. Per la prima volta, possiamo vedere con precisione la distribuzione di questi leganti non solo in generale (cioè il loro spessore in tutto l'elettrodo), ma anche localmente, come strati e cluster di leganti su scala nanometrica, e correlarli alle prestazioni dell'anodo".
È importante notare che il metodo di imaging funziona non solo su elettrodi a base di grafite, ma anche su materiali più avanzati come il silicio o il SiOx, rendendolo applicabile a tutti i progetti di batterie di prossima generazione.
Utilizzando il metodo, il team ha scoperto che piccoli cambiamenti nella distribuzione dei leganti possono influenzare drasticamente l'efficienza di una batteria e la sua durata. Ad esempio, regolando i protocolli di miscelazione e asciugatura dell'impasto, i ricercatori hanno ridotto fino al 40% la resistenza ionica interna degli elettrodi di prova, un ostacolo fondamentale per la ricarica rapida.
Lo studio ha anche catturato gli sfuggenti strati nanoscopici del legante carbossimetilcellulosa (CMC) che riveste le superfici delle particelle di grafite. L'imaging ha fornito un rilevamento senza precedenti di strati di CMC dello spessore di 10 nm, risolvendo dimensioni di quattro ordini di grandezza in singole immagini. Ciò ha rivelato come i sottili strati di CMC si frammentino da un rivestimento inizialmente completo in chiazze spezzate e disomogenee durante la lavorazione dell'elettrodo, compromettendo potenzialmente le prestazioni e la stabilità della batteria.
Il coautore, il professor Patrick Grant (Dipartimento di Materiali dell'Università di Oxford), ha dichiarato: "Questo sforzo multidisciplinare, che spazia dalla chimica alla microscopia elettronica, dai test elettrochimici alla modellazione, ha portato a un approccio innovativo di imaging che ci aiuterà a comprendere i processi superficiali chiave che influenzano la longevità e le prestazioni delle batterie. Questo ci permetterà di progredire in un'ampia gamma di applicazioni delle batterie".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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