I ricercatori esplorano film sottili di alta qualità per spingere l’energia nel futuro.
Dagli anni ’40, gli scienziati hanno esplorato l’uso dell’ossido di niobio, in particolare una forma di ossido di niobio noto come T-Nb2O5, per creare più batterie efficienti. Questo materiale unico è noto per la sua capacità di consentire agli ioni di litio, le minuscole particelle cariche che fanno funzionare le batterie, di muoversi rapidamente al suo interno. Più velocemente questi ioni di litio possono muoversi, più velocemente può essere caricata una batteria.
Il rapido movimento degli ioni di litio lungo i canali verticali 2D nel film sottile di ossido di niobio T (T-Nb2O5) determina cambiamenti di proprietà unici e una transizione di inseguimento. I poliedri blu e viola mostrano reticoli T-Nb2O5, rispettivamente senza e con litio. Le sfere verde brillante rappresentano gli ioni di litio. Credito immagine: Max Planck Institute of Microstructure Physics / Patricia Bondia
La sfida, tuttavia, è sempre stata quella di far crescere questo materiale di ossido di niobio in strati sottili e piatti, o “film”, di qualità sufficientemente elevata da poter essere utilizzati in applicazioni pratiche. Questo problema deriva dalla complessa struttura del T-Nb2O5 e dall’esistenza di molte forme simili, o polimorfi, dell’ossido di niobio.
In un articolo pubblicato in Materiali della naturamembri di Andrea Rappedel gruppo di ricerca presso il Università della Pennsylvania ha collaborato con i ricercatori di Istituto Max Plank E Università di Cambridge e hanno dimostrato con successo la crescita di strati monocristallini di alta qualità di T-Nb2O5, allineati in modo da consentire agli ioni di litio di muoversi molto più velocemente.
“Questo drastico cambiamento consente una gamma di potenziali applicazioni, dalla ricarica della batteria ad alta velocità all’elaborazione ad alta efficienza energetica e altro ancora”, afferma Rappe.
“Le nostre modalità convenzionali di stoccaggio del litio nei catodi di solito si basano su un processo di ricristallizzazione che tende a interferire con la struttura, come quelli che vediamo nelle batterie odierne”, afferma il coautore Zhen Jiang, un ex ricercatore post-dottorato nel Gruppo Rappe.
Aaron Schankler, uno studente laureato nel Scuola di Arti e Scienzeaggiunge, “Ciò che il team di Max Planck e dell’Università di Cambridge ha fatto è stato trovare un modo per spostare gli ioni di litio in modo da non interrompere la struttura cristallina del nostro film sottile T-Nb2O5, e abbiamo contribuito a razionalizzare perché gli ioni possono entrare e uscire rapidamente e in modo reversibile.
Rappe paragona T-Nb2O5 a una struttura di parcheggio multilivello in cui gli ioni di litio sono auto e la struttura di T-Nb2O5 forma canali aperti, o rampe, che consentono alle auto di muoversi su e giù tra i livelli.
“Facendo crescere il T-Nb2O5 in modo che questi canali scorrano verticalmente, o ‘su e giù’, il nostro team ha reso possibile agli ioni di litio di muoversi molto più velocemente, consentendo così cambiamenti rapidi e colossali nelle proprietà elettriche dei film sottili inserendo gli ioni di litio tra gli atomi nel terminale negativo del nostro sistema”, afferma il primo autore Hyeon Han del Max Planck Institute.
Rappe osserva che i ricercatori dell’Università di Cambridge hanno lavorato a stretto contatto con il suo team e hanno scoperto molteplici transizioni precedentemente sconosciute nella struttura del materiale al variare della concentrazione di ioni di litio.
Queste transizioni modificano le proprietà elettroniche del materiale, permettendogli di passare dall’essere un isolante a un metallo, nel senso che passa dal bloccare la corrente elettrica a condurla. Questo è un cambiamento drammatico; la resistività del materiale diminuisce di un fattore di 100 miliardi.
Il team di Penn ha sviluppato il lavoro computazionale teorizzando le condizioni necessarie per dare origine alla stabilità delle transizioni attraverso i calcoli della teoria del funzionale della densità, un metodo quantomeccanico utilizzato per studiare la struttura elettronica dei sistemi a molti corpi, in particolare atomi, molecole e fasi condensate. Rappe afferma che con questo metodo il team potrebbe calcolare e prevedere il comportamento del materiale in condizioni diverse.
Dice che i calcoli teorici hanno contribuito a razionalizzare le molteplici transizioni di fase che hanno osservato, nonché il modo in cui queste fasi potrebbero essere correlate alla concentrazione di ioni di litio e alla loro disposizione all’interno della struttura cristallina. Questa comprensione, a sua volta, ha permesso ai ricercatori di controllare e manipolare efficacemente le proprietà elettroniche dei film sottili di T-Nb2O5.
“I calcoli delle simulazioni atomistiche hanno grandi vantaggi nel far progredire i fondamenti della scienza nel mondo accademico ma anche varie tecnologie nell’industria”, afferma Arvin Kakekhani, ex ricercatore post-dottorato del Rappe Group. “Questo lavoro mostra come questi calcoli possono integrare gli esperimenti, chiarendo il ruolo della diffusione del litio nelle proprietà elettriche di importanti batterie a stato solido e materiali elettronici”.
“La capacità di controllare l’orientamento di questi film ci consente di esplorare il trasporto dipendente dalla direzione in questa classe di materiali tecnologicamente importante, che è fondamentale per comprendere come funzionano questi materiali”, afferma Clare P. Gray dell’Università di Cambridge.
Manipolando queste transizioni di fase, i ricercatori hanno dimostrato di poter controllare ripetutamente e in modo affidabile le proprietà elettroniche di questi film sottili. Inoltre, alterando la composizione chimica dell’elettrodo “gate”, un componente che controlla il flusso di ioni in un dispositivo, sono stati in grado di regolare la tensione alla quale il materiale diventa metallico, estendendo ulteriormente le potenziali applicazioni.
“Questa ricerca è una testimonianza del potere delle collaborazioni interdisciplinari e dell’inestinguibile curiosità scientifica”, afferma Stuart SP Parkin del Max Planck Institute. “La nostra comprensione del T-Nb2O5 e di materiali complessi simili è stata notevolmente migliorata, ponendo le basi per un futuro più sostenibile ed efficiente”.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
