I diamanti e gli altri cristalli sono una delizia per gli occhi e… non solo. Ciò che contribuisce alla loro forma geometrica e ai loro colori, a volte abbaglianti, è infatti la disposizione ordinata degli atomi. E per i materiali cristallini degli elettrodi per batterie, la loro ordinata microstruttura presenta vantaggi pratici per la facilità di trasferimento degli ioni all’interno dell’elettrodo durante la carica e la scarica.
Gli scienziati del Laboratorio Nazionale Argonne del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno creato e testato un elettrodo a cristallo singolo che promette di produrre scoperte fondamentali per le batterie avanzate in fase di sviluppo in tutto il mondo per i veicoli elettrici, l’elettronica di consumo e altre applicazioni. Al progetto hanno collaborato ricercatori della Northwestern University e dell’Università dell’Illinois di Chicago.
I materiali degli elettrodi delle batterie avanzate sono “policristallini“, il che significa che hanno numerose regioni cristalline diversamente orientate. Poiché gli elettrodi policristallini sono relativamente semplici da fabbricare, gli scienziati hanno concentrato la ricerca passata sulle batterie sulla sperimentazione di questi materiali, che sono pieni di diversi tipi di difetti all’interno delle strutture ordinate che spesso possono influenzare le prestazioni.
“Abbiamo riconosciuto che i singoli cristalli possono svolgere un ruolo vitale nell’identificazione di nuovi promettenti modi per comprendere, a livello atomico e molecolare, le sostanze chimiche che controllano i processi di carica e scarica nelle batterie con elettrodi policristallini”, ha osservato Sanja Tepavcevic, assistente scientifico della divisione Materials Science di Argonne.
Come sistema modello per studiare il loro catodo a singolo cristallo, il team ha scelto la batteria agli ioni di sodio in fase di sviluppo per competere con le attuali batterie agli ioni di litio. La principale attrattiva di queste batterie è che il sodio è un elemento molto più abbondante del litio utilizzato per le batterie agli ioni di litio.
Il team ha preparato singoli cristalli di un ossido di sodio-iridio (Na2IrO3) e li ha utilizzati come materiale catodico in piccole celle di prova. Per confronto, hanno anche testato celle simili con catodi policristallini. Attingendo alle strutture scientifiche di Argonne – in particolare, l’Advanced Photon Source (APS), un ufficio DOE Office of Science User Facility – hanno potuto determinare la posizione precisa di ogni atomo nella struttura cristallina per i diversi stati di carica e scarica delle cellule.
“Questo progetto semplicemente non sarebbe stato possibile senza le straordinarie risorse di caratterizzazione materiale dell’APS”, ha detto Tepavcevic. “Abbiamo anche tratto grande beneficio dall’esperienza del membro del team Jennifer Hong Zheng nella sua capacità di livello mondiale di far crescere singoli cristalli secondo specifiche precise”.
Molto è stato imparato sulla chimica dei catodi durante il ciclo di scarica delle celle di prova. In particolare, il team ha indagato l’origine della capacità supplementare oltre a quella prevista per la struttura degli endpoint NaIrO3. “Con i nostri singoli cristalli, abbiamo potuto separare gli effetti di superficie da quelli di massa che non erano evidenti nei lavori precedenti con i soli materiali policristallini”, ha detto Tepavcevic. Il team ha dimostrato che la capacità extra deriva dalle reazioni di superficie, non dalla massa del materiale come si pensava in precedenza.
Per migliorare il design delle batterie è importante sapere come e perché i cambiamenti di materiale avvengono durante il ciclismo. Dai risultati dei test, il team ha determinato la struttura chimica delle tre fasi distinte che si formano durante la carica, due delle quali non erano note prima. Hanno anche scoperto che la capacità delle celle si è sbiadita con il ciclismo a causa della formazione di una nuova fase dannosa durante la carica, che persisteva durante la scarica e cresceva di dimensioni con il numero di cicli.
“Abbiamo imparato più cose sulle batterie agli ioni di sodio con i nostri elettrodi a cristallo singolo di quanto avremmo mai creduto possibile all’inizio del progetto”, ha detto John Mitchell, Argonne Distinguished Fellow della divisione Materials Science. “Chiaramente, i singoli cristalli aprono la finestra a una comprensione molto migliore delle trasformazioni chimiche ed elettroniche che controllano l’accumulo e il rilascio di energia in tutti i tipi di batterie, così come i loro meccanismi di degradazione con il ciclo”. Con tali conoscenze, i futuri ricercatori di batterie saranno in grado di sviluppare regole di progettazione per la sintesi di nuovi e migliori materiali policristallini con la funzionalità desiderata.
