In un primo momento, i ricercatori hanno osservato come ioni di litio fluire attraverso un’interfaccia della batteria, che potrebbe aiutare gli ingegneri a ottimizzare la progettazione del materiale.
Estraendo immagini a raggi X, i ricercatori del MIT hanno fatto nuove importanti scoperte sulla reattività del litio ferro fosfato, un materiale utilizzato nelle batterie per auto elettriche e in altre batterie ricaricabili. In ciascuna coppia raffigurata, le particelle reali sono a sinistra e le simulazioni dei ricercatori sono a destra. Illustrazione dei ricercatori/MIT
Estraendo dati da immagini a raggi X, i ricercatori del MIT, dell’Università di Stanford, dello SLAC National Accelerator e del Toyota Research Institute hanno fatto nuove scoperte significative sulla reattività del litio ferro fosfato, un materiale utilizzato nelle batterie per auto elettriche e in altri dispositivi ricaricabili. batterie.
La nuova tecnica ha rivelato diversi fenomeni precedentemente impossibili, comprese le variazioni nella velocità delle reazioni di intercalazione del litio in diverse regioni di una nanoparticella di fosfato di litio ferro.
La scoperta pratica più significativa dello studio – ovvero che queste variazioni nella velocità di reazione sono correlate alle differenze nello spessore del rivestimento di carbonio sulla superficie delle particelle – potrebbe portare a miglioramenti nell’efficienza di carica e scarica di tali batterie.
“Ciò che abbiamo imparato da questo studio è che sono le interfacce che controllano realmente la dinamica della batteria, soprattutto nelle moderne batterie di oggi realizzate con nanoparticelle di materiale attivo. Ciò significa che la nostra attenzione dovrebbe concentrarsi davvero sulla progettazione di quell’interfaccia”, afferma Martin Bazant, professore di ingegneria chimica alla EG Roos e professore di matematica al MIT, autore senior dello studio.
Analizzando le immagini a raggi X delle particelle di fosfato di litio ferro mentre si caricavano e scaricavano, i ricercatori hanno dimostrato che il movimento degli ioni di litio all’interno del materiale era quasi identico alle simulazioni al computer che avevano creato in precedenza. In ciascuna coppia, le particelle reali sono a sinistra e le simulazioni a destra. Illustrazione dei ricercatori/MIT
Questo approccio alla scoperta della fisica dietro modelli complessi nelle immagini potrebbe essere utilizzato anche per ottenere informazioni su molti altri materiali, non solo su altri tipi di batterie ma anche su sistemi biologici, come la divisione delle cellule in un embrione in via di sviluppo.
“Ciò che trovo più entusiasmante in questo lavoro è la capacità di scattare immagini di un sistema che sta subendo la formazione di un modello e di apprendere i principi che lo governano”, afferma Bazant.
Hongbo Zhao PhD ’21, ex studente laureato del MIT che ora è postdoc presso l’Università di Princeton, è l’autore principale del nuovo studio, che appare In Natura. Altri autori includono Richard Bratz, Edwin R. Gilliland professore di ingegneria chimica al MIT; William Chueh, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e direttore dello SLAC-Stanford Battery Center; e Brian Storey, direttore senior di Energia e Materiali presso il Toyota Research Institute.
“Fino ad ora, potevamo realizzare questi bellissimi filmati a raggi X delle nanoparticelle delle batterie al lavoro, ma era difficile misurare e comprendere i dettagli sottili di come funzionano perché i filmati erano così ricchi di informazioni”, afferma Chueh. “Applicando l’apprendimento delle immagini a questi film su scala nanometrica, possiamo estrarre informazioni che prima non erano possibili”.
Celle della batteria al litio – foto illustrativa. Credito immagine: Kumpan Electric tramite Unsplash, licenza gratuita
Modellazione delle velocità di reazione
Gli elettrodi della batteria al litio ferro fosfato sono costituiti da numerose minuscole particelle di litio ferro fosfato, circondate da una soluzione elettrolitica. Una particella tipica ha un diametro di circa 1 micron e uno spessore di circa 100 nanometri. Quando la batteria si scarica, gli ioni di litio fluiscono dalla soluzione elettrolitica nel materiale mediante una reazione elettrochimica nota come intercalazione ionica. Quando la batteria si carica, la reazione di intercalazione viene invertita e gli ioni fluiscono nella direzione opposta.
“Il litio ferro fosfato (LFP) è un materiale importante per le batterie grazie al basso costo, al buon livello di sicurezza e all’uso di elementi abbondanti”, afferma Storey. “Stiamo assistendo a un maggiore utilizzo dell’LFP nel mercato dei veicoli elettrici, quindi i tempi di questo studio non potrebbero essere migliori”.
Prima dello studio attuale, Bazant aveva fatto molto modellazione teorica dei modelli formato dall’intercalazione degli ioni di litio. Il fosfato di litio-ferro preferisce esistere in una delle due fasi stabili: piena di ioni litio o vuota. Dal 2005, Bazant lavora su modelli matematici di questo fenomeno, noto come separazione di fase, che genera modelli distintivi di flusso di ioni di litio guidati da reazioni di intercalazione. Nel 2015, durante un anno sabbatico a Stanford, ha iniziato a lavorare con Chueh per cercare di interpretare immagini di particelle di fosfato di litio ferro dalla microscopia a raggi X a effetto tunnel.
Utilizzando questo tipo di microscopia, i ricercatori possono ottenere immagini che rivelano la concentrazione di ioni di litio, pixel per pixel, in ogni punto della particella. Possono scansionare le particelle più volte mentre le particelle si caricano o si scaricano, consentendo loro di creare filmati su come scorrono gli ioni di litio dentro e fuori le particelle.
Nel 2017, Bazant e i suoi colleghi di SLAC hanno ricevuto finanziamenti dal Toyota Research Institute per portare avanti ulteriori studi utilizzando questo approccio, insieme ad altri progetti di ricerca relativi alle batterie.
Analizzando le immagini a raggi X di 63 particelle di fosfato di litio e ferro mentre si caricavano e scaricavano, i ricercatori hanno scoperto che il movimento degli ioni di litio all’interno del materiale potrebbe essere quasi identico alle simulazioni al computer che Bazant aveva creato in precedenza. Utilizzando tutti i 180.000 pixel come misurazioni, i ricercatori hanno addestrato il modello computazionale a produrre equazioni che descrivono accuratamente la termodinamica di non equilibrio e la cinetica di reazione del materiale della batteria.
“Ogni piccolo pixel lì dentro salta dal pieno al vuoto, dal pieno al vuoto. E stiamo mappando l’intero processo, utilizzando le nostre equazioni per capire come ciò sta accadendo”, afferma Bazant.
I ricercatori hanno anche scoperto che i modelli di flusso degli ioni di litio osservati potrebbero rivelare variazioni spaziali nella velocità con cui gli ioni di litio vengono assorbiti in ciascuna posizione sulla superficie delle particelle.
“È stata una vera sorpresa per noi poter apprendere le eterogeneità del sistema – in questo caso, le variazioni nella velocità di reazione superficiale – semplicemente guardando le immagini”, afferma Bazant. “Ci sono regioni che sembrano essere veloci e altre che sembrano essere lente.”
Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che queste differenze nella velocità di reazione erano correlate allo spessore del rivestimento di carbonio sulla superficie delle particelle di fosfato di litio ferro. Questo rivestimento di carbonio viene applicato al fosfato di litio e ferro per aiutarlo a condurre l’elettricità, altrimenti il materiale condurrebbe troppo lentamente per essere utile come batteria.
“Abbiamo scoperto su scala nanometrica che la variazione dello spessore del rivestimento di carbonio controlla direttamente la velocità, il che è qualcosa che non potresti mai capire se non avessi tutta questa modellazione e analisi delle immagini”, afferma Bazant.
I risultati offrono anche un supporto quantitativo per un’ipotesi formulata da Bazant diversi anni fa: che la prestazione degli elettrodi al litio ferro fosfato è limitato principalmente dalla velocità di trasferimento ione-elettrone accoppiato all’interfaccia tra la particella solida e il rivestimento di carbonio, piuttosto che la velocità di diffusione degli ioni di litio nel solido.
Materiali ottimizzati
I risultati di questo studio suggeriscono che l’ottimizzazione dello spessore dello strato di carbonio sulla superficie dell’elettrodo potrebbe aiutare i ricercatori a progettare batterie che funzionerebbero in modo più efficiente.
“Questo è il primo studio in grado di attribuire direttamente una proprietà del materiale della batteria a una proprietà fisica del rivestimento”, afferma Bazant. “L’attenzione per l’ottimizzazione e la progettazione delle batterie dovrebbe concentrarsi sul controllo della cinetica di reazione all’interfaccia tra elettrolita ed elettrodo”.
“Questa pubblicazione è il culmine di sei anni di dedizione e collaborazione”, afferma Storey. “Questa tecnica ci consente di sbloccare il funzionamento interno della batteria in un modo che prima non era possibile. Il nostro prossimo obiettivo è migliorare la progettazione delle batterie applicando questa nuova comprensione”.
Oltre a utilizzare questo tipo di analisi su altri materiali delle batterie, Bazant prevede che potrebbe essere utile per studiare la formazione di modelli in altri sistemi chimici e biologici.
Questo lavoro è stato supportato dal Toyota Research Institute attraverso il programma Accelerated Materials Design and Discovery.
Scritto da Anne Trafton
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
