Noi observaţii făcute de cercetătorii de la MIT au arătat modul intern de lucru al unui tip de electrozi larg folosiţi în bateriile cu ioni de litiu. Noile descoperiri explică puterea mare şi durata mare de viaţă ale acestor baterii, spun cercetătorii.
O stare exotică a materiei - o ”soluţie solidă aleatoare” - afectează modul în care se mişcă ionii prin materialul bateriei.
Descoperirile au fost publicate prima dată în revista Nano Letters de colectivul de autori format din postdoctorandul de la MIT Jun Jie Niu, cercetătorul Akihiro Kushima, profesorii Yet-Ming Chiang şi alţi trei autori.
Materialul electrodului studiat, fosfatul de litiu şi de fier (LiFePO4) este considerat un material extrem de promiţător pentru bateriile reîncărcabile cu litiu. Acest lucru se demonstrase deja în aplicaţii mergând de la unelte de putere la vehicule electrice şi stocare a energiei pe scară largă. Cercetătorii de la MIT au descoperit că în interiorul acestui electrod, în timpul încărcării, o zonă de soluţie solidă (SSZ) se formează la limita dintre părţile bogate în litiu şi cele sărace în litiu - regiunea în care se concentrează activitatea de încărcare pe măsură ce ionii de litiu sunt scoşi din electrod.
Li spune că ”existenţa acestei SSZ a fost prezisă teoretic, dar acum o vedem direct pentru prima dată” în filmările făcute cu microscopul cu transmisie de electroni (TEM) în timpul încărcării.
Observaţia a ajutat la rezolvarea unei enigme vechi legate de LiFePO4. În cristalul masiv, atât ionii de fosfat de litiu şi fier şi fosfatul de fier (FePO4 care rămâne pe măsură ce ionii de litiu ies din material în timpul încărcării) au o foarte proastă conductivitate ionică şi electrică. Totuşi, când e tratat - prin dopare şi învelire în carbon - şi folosit ca nanoparticule într-o baterie, materialul prezintă o rată de încărcare impresionantă. ”A fost surprinzător când aceasta (rata de încărcare şi descărcare) a fost demonstrată pentru prima dată”, spune Li.
”Noi am observat direct o soluţie solidă aleatoare metastabilă care poate rezolva această problemă fundamentală care i-a intrigat mulţi ani (pe cercetătorii în materiale),” spune Li, profesor de ştiinţă şi inginerie nucleară la Battelle Energy Alliance şi profesor de ştiinţa şi ingineria materialelor.
SSZ este o stare ”metastabilă”, care rezistă câteva minute la temperatura camerei. Înlocuind o interfaţă clară între LiFePO4 şi FePO4 care s-a arătat că ar conţine multe multe defecte suplimentare pe linie numite ”dislocări”, SSZ serveşte ca tampon, reducând numărul de dislocări care altfel s-ar fi deplasat cu frontul de reacţie electrochimică. ”Noi nu vedem nicio dislocare”, spune Li. Acest lucru ar putea fi important deoarece generarea şi stocarea dislocărilor pot provoca oboseala şi limita ciclul de viaţă al unui electrod.
Spre deosebire de imageria TEM obişnuită, tehnica folosită în această lucrare, dezvoltată în 2010 de Kushima şi de Li, face posibilă observarea componentelor bateriei în timpul încărcării şi descărcării, ceea ce poate dezvălui procesele dinamice. ”În ultimii patru ani am asistat la o adevărată explozie a folosirii in situ a tehnicilor TEM pentru a studia funcţionarea bateriilor”, spune Li.
O mai bună înţelegere a acestor procese dinamice ar putea îmbunătăţi performanţa materialului unui electrod, permiţând o mai bună reglare a proprietăţilor acestuia, spune Li.
În ciuda înţelegerii complete până în momentul de faţă, nanoparticulele sunt deja folosite pe scară industrială în bateriile cu ioni de litiu, explică Li. ”Ştiinţa a rămas în urma aplicaţiilor”, spune el. ”Ele deja s-au dezvoltat cu oarecare succes pe piaţă. E una dintre poveştile de succes ale nanotehnologiei.”
”În comparaţie cu bateriile cu ioni de litiu (fosfat de litiu şi fier) ele sunt mai puţin nocive pentru mediu şi sunt foarte stabile”, spune Niu. ”Dar e important ca acest material să fie bine înţeles.”
În timp ce descoperirea SSZ a fost făcută în LiFePO4, spune Li, ”acelaşi principiu se poate aplica şi altor materiale din care sunt făcuţi electrozii, cum ar fi stările metastabile care ar putea exista în alte materiale ale electrozilor care sunt inerte sub formă compactă... Fenomenul descoperit ar putea fi general şi nicidecum specific acestui material.”
Chongmin Wang, un cercetător la Pacific Northwest National Laboratory care nu a fost implicat în această cercetare, numeşte acest articol ”o mare lucrare”.
”Au fost propuse unele modele bazate pe lucrări atât teoretice, cât şi experimentale”, spune Wang. ”Totuşi, niciunul dintre ele nu pare a fi convingător.”
Această nouă cercetare, spune el ”furnizează probe convingătoare şi directe” ale funcţionării mecanismului. ”Lucrarea este un pas important care direcţionează ambiguităţile spre favorizarea unui model al soluţiei solide.”
Cercetările au fost sprijinite de National Science Fundation.
Traducere de Alexandru Vilan după seeing-how-lithium-ion-battery-works.
