TEMATIche:Tecnologia delle batterieLitio-IonUCLA
Una scoperta fondamentale e una nuova tecnica potrebbero portare a batterie ricaricabili migliori e più sicure.
UCLAI ricercatori hanno fatto una scoperta rivoluzionaria che potrebbe migliorare la sicurezza e l'efficienza delle batterie al litio.i ricercatori hanno scoperto che gli atomi di litio formano una forma unica a 12 latiQuesta innovazione potrebbe potenzialmente rivoluzionare la tecnologia delle batterie al litio, migliorando la sicurezza e le prestazioni.
Le batterie ricaricabili agli ioni di litio alimentano smartphone, veicoli elettrici e lo stoccaggio di energia solare ed eolica, tra le altre tecnologie.
Essi discendono da un'altra tecnologia, la batteria al litio-metallo, che non è stata sviluppata o adottata così ampiamente.Mentre le batterie al litio hanno il potenziale di contenere circa il doppio dell'energia che le batterie agli ioni di litio possono, presentano anche un rischio molto maggiore di prendere fuoco o addirittura di esplodere.
Ricerche rivoluzionarie sulle batterie al litio
Ora, uno studio condotto da membri del California NanoSystems Institute dell'UCLA rivela una scoperta fondamentale che potrebbe portare a batterie al litio metallo più sicure che superino le batterie agli ioni di litio di oggi.La ricerca è stata pubblicata il 2 agosto sulla rivistaNatura.
Il litio metallico reagisce così facilmente con sostanze chimiche che, in condizioni normali, la corrosione si forma quasi immediatamente mentre il metallo viene posato su una superficie come un elettrodo.Ma i ricercatori dell'UCLA hanno sviluppato una tecnica che impedisce la corrosione e hanno dimostrato che, in sua assenza, gli atomi di litio si riuniscono in una sorprendente forma, il dodecaedro rombico, una figura a 12 facce simile ai dadi usati nei giochi di ruolo come Dungeons and Dragons.
Comprendere gli aspetti strutturali delle batterie al litio
"Ci sono migliaia di articoli sul metallo di litio, e la maggior parte delle descrizioni della struttura è qualitativa, come chunky o colonnalike", ha detto Yuzhang Li, autore corrispondente dello studio,professore assistente di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Scuola di Ingegneria Samueli della UCLA e membro del CNSI¢È stato sorprendente per noi scoprire che quando abbiamo impedito la corrosione superficiale, invece di queste forme mal definite,Abbiamo visto un poliedro singolare che corrisponde alle previsioni teoriche basate sulla struttura cristallina del metallo.In ultima analisi, questo studio ci permette di rivedere la nostra comprensione delle batterie al litio.
Contrasto tra batterie agli ioni di litio e batterie al litio-metallo
A piccole scale, una batteria agli ioni di litio immagazzina atomi di litio carichi positivamente in una struttura a gabbia di carbonio che ricopre un elettrodo.una batteria al litio-metallo invece rivesti l'elettrodo con litio metallicoQuesto accumule 10 volte più litio nello stesso spazio rispetto alle batterie agli ioni di litio, il che spiega l'aumento sia delle prestazioni che del pericolo.
Il processo di posa del rivestimento in litio si basa su una tecnica vecchia di oltre 200 anni che utilizza elettricità e soluzioni di sali chiamati elettroliti.il litio forma microscopici filamenti ramificati con punte sporgentiIn una batteria, se due di questi picchi si incrociano, può causare un corto circuito che potrebbe portare a un'esplosione.
Implicazioni della scoperta sulla sicurezza e le prestazioni delle batterie
La rivelazione della vera forma del litio, cioè in assenza di corrosione, suggerisce che il rischio di esplosione delle batterie al litio può essere ridotto.perché gli atomi si accumulano in una forma ordinata invece di uno che può incrociareLa scoperta potrebbe avere anche importanti implicazioni per la tecnologia energetica ad alte prestazioni.
Gli scienziati e gli ingegneri hanno svolto oltre due decenni di ricerca sulla sintesi di metalli quali oro, platino e argento in forme quali nanocubi, nanosfere e nanorodi.Li ha dettoOra che conosciamo la forma del litio, la domanda è: possiamo accordarlo in modo che formi cubi, che possono essere riuniti in modo denso per aumentare sia la sicurezza che le prestazioni delle batterie?
Riimmaginare il processo di deposizione del litio
Fino ad ora, l'opinione prevalente era che la scelta degli elettroliti in soluzione determinasse la forma che il litio forma su una superficie, indipendentemente dal fatto che la struttura assomigli a pezzi o colonne.I ricercatori dell'UCLA avevano un'idea diversa..
"Volevamo vedere se potevamo depositare il litio così rapidamente da superare la reazione che causa la pellicola di corrosione", ha detto lo studente di dottorato della UCLA Xintong Yuan, primo autore dello studio.Potremmo vedere come il litio vuole crescere in assenza di quel film..
Rifinazione della tecnica di deposizione del litio
I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica per depositare il litio più velocemente delle forme corrosive. They ran current through a much smaller electrode in order to push electricity out faster — much like the way that partially blocking the nozzle of a garden hose causes water to shoot out more forcefully.
È necessario un equilibrio, tuttavia, perché accelerare troppo il processo porterebbe alle stesse strutture spinose che causano cortocircuiti;Il team ha risolto il problema adattando la forma del loro piccolo elettrodo.
Hanno deposto il litio su superfici usando quattro diversi elettroliti, confrontando i risultati tra una tecnica standard e il loro nuovo metodo.il litio ha formato quattro forme microscopiche distinteTuttavia, con il loro processo senza corrosione, hanno scoperto che il litio formava minuscoli dodecaedri non più grandi di 2 milionesimi di metro.o circa la lunghezza media di un singolo batterio in tutti e quattro i casi.
Scoprire la forma del litio con la cryo-EM
I ricercatori sono stati in grado di vedere la forma del litio grazie a una tecnica di imaging chiamata cryo-microscopia elettronica, o cryo-EM,che trasmette elettroni attraverso campioni congelati per mostrare dettagli fino al livello atomico, inibendo al contempo il danno ai campioni.
La cryo-EM è diventata onnipresente nelle bioscienze per determinare le strutture di proteine e virus.
In primo luogo, quando Li era uno studente laureato, ha dimostrato che la criomagnetica può essere utilizzata per analizzare il litio, che cade in pezzi quando esposto a un raggio di elettroni a temperatura ambiente.(Il suo studio è stato pubblicato nel 2017 sulla rivista ScienceIn secondo luogo, il team ha eseguito esperimenti presso il Centro di Imaging elettronico per le Nanomachine del CNSI.che ospita diversi strumenti cryo-EM che sono stati personalizzati per ospitare i tipi di campioni utilizzati nella ricerca dei materiali.