Batterie al litio, supermicroscopi al servizio della ricerca

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microscopio
microscopio - photo credit: gonzales2010 via photopin cc
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microscopio – photo credit: gonzales2010 via photopin cc

Per la ricerca scientifica riuscire a simulare sempre più le condizioni reali di esercizio dei materiali studiati è fondamentale: capire al meglio ogni dettaglio del comportamento degli ioni di litio all’interno di una batteria è l’unica strada per migliorarne le prestazioni.

A tale scopo un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Energia dei Pacific Nothwest National Laboratory statunitensi hanno messo a punto un modo per spiare la vita microscopica che anima i processi di ricarica.

In particolare, l’équipe condotta dallo scienziato dei materiali Chongmin Wang è riuscita a simulare realisticamente l’ambiente umido che si trova all’interno delle attuali batterie in uso, visionandolo grazie all’utilizzo di microscopi a trasmissione elettronica. Scopo della ricerca è indagare i fenomeni che interessano gli elettrodi, specialmente per quanto riguarda la formazione di uno strato particolare che ne influenza le prestazioni durante la fase di carica/scarica.

Sino a questo momento per osservare le deformazioni provocate negli elettrodi positivo e negativo dal passaggio degli ioni si utilizzavano celle a secco, utili per simulare la realtà ma differenti in quanto nelle vere batterie agli ioni di litio gli elettrodi sono immersi in una soluzione liquida che offre agli ioni un ambiente nel quale muoversi con facilità.

Wang ed i suoi colleghi hanno così ricostruito all’interno di un microscopio a trasmissione elettronica del Molecular Sciences Laboratory del Department Of Energy degli Stati Uniti una batteria delle dimensioni di una monetina da un centesimo dotata di un elettrodo al silicio ed uno metallico immersi in un bagno elettrolitico, proprio come nelle unità utilizzate nel mondo reale.

Grazie a questa ricostruzione miniaturizzata gli scienziati hanno potuto osservarne il comportamento durante il passaggio di energia e confrontarlo con quanto sempre studiato nelle celle a secco.

La buona notizia è che in ambiente umido lo studio di determinati aspetti appare più vantaggioso e semplice, ponendosi quindi come passo avanti per l’evoluzione della tecnologia dell’accumulo di energia.

Gli aspetti indagati sono stati principalmente due: il comportamento degli elettrodi e la formazione di quello strato che ne inibisce in parte le capacità.

L’elettricità, nel suo passaggio all’interno della batteria, provoca delle modificazioni fisiche allo stato dei materiali di cui sono fatti gli elettrodi. Durante la ricarica gli elettroni fluiscono in quello negativo, dove sono attratti anche gli ioni caricati positivamente: per entrarvi, questi sfruttano la porosità del materiale dell’elettrodo.

Allo stesso modo, in fase di scarica, gli elettroni escono dall’elettrodo e gli ioni migrano verso il polo positivo in attesa di una nuova carica. Uno degli aspetti più studiati è appunto la variazione di volume dell’elettrodo negativo, responsabile in parte della capacità di accumulo e della rapidità dei processi di scarica e ricarica delle batterie.

Durante la ricarica questo infatti si gonfia, motivo per il quale da anni si testano materiali diversi, il più funzionale pare essere il silicio, per trovare quello che riesca a sopportare meglio la variazione di volume senza danneggiarsi. In condizioni asciutte, tuttavia, era possibile far affluire gli ioni di litio solo da una fonte precisa, provocando una dilatazione graduale dell’elettrodo: in ambiente umido invece gli ioni penetrano nel corpo del polo negativo da ogni lato essendo immersi nel medesimo bagno e ne provocano una dilatazione uniforme.

Lo studio in condizioni asciutte fornisce informazioni accurate sul comportamento chimico dei componenti ma in ambiente umido sarà possibile identificare meglio cause ed interazioni legate allo strato elettrolitico interfase che inibisce in parte la capacità delle batterie. Gli studiosi non sanno precisamente che struttura o che composizione chimica abbia e tantomeno come esso cambi nei ripetuti processi di carica e scarica: le micro batterie umide ed i super microscopi a trasmissione elettronica li aiuteranno a capirlo.

 

 

Andrea Lombardo

Fonte: PNNL

 

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