Nuova ricerca sulle batterie agli ioni di litio

Nuova ricerca sulle batterie agli ioni di litio

Quali sono i meccanismi che portano al deterioramento di una batteria al litio? Una ricerca del Pacific Northwest National Laboratory prova a fare luce, scoprendo un comportamento mai notato in precedenza

di Andrea Bai pubblicata il , alle 11:22 nel canale Sistemi
 

Una pubblicazione presente nall'ultima edizione del magazine scientifico Science illustra il particolare comportamento degli elettrodi impiegati nelle batterie ricaricabili agli ioni di litio nel momento in cui vengono caricate: si tratta di una analisi che permetterà di meglio comprendere i meccanismi di funzionamento delle batterie ed offrirà suggerimenti e spunti su quale sia l'approccio migliore per costruire batterie al litio che possano durare più a lungo nel tempo.

Gli sviluppatori delle batterie, così come gli utenti, sono ben a conoscenza del fatto che le ripetute ricariche delle batterie al litio finiscono con il danneggiamento del materiale utilizzato come elettrodo. La nuova ricerca portata avanti dai Pacific Northwest National Laboratory riesce però ad offrire un'indicazione reale di come ciò accade: grazie ad immagini ad alta risoluzione e ad elevato ingrandimento, i ricercatori hanno potuto osservare che i cavi di ossido di stagno impiegati come elettrodi nelle batterie al litio si torcono e si espandono nel momento in cui vengono attraversati dagli elettroni. Non solo: gli ioni di litio tendono inoltre a mutare l'ossido di stagno da una struttura cristallina ad una struttura vetrosa e amorfa.

Chongmin Wang, scienziato dei materiali presso il dipartimento dell'energia del PNNL, ha commentato: "I nanocavi di ossido di stagno sono stati in grado di resistere meglio alle defornamzioni associate con il flusso elettrico rispetto a un singolo cavo più spesso. E' come realizzare una fune di acciaio: è meglio intrecciare tra loro cavi di piccole dimensioni, piuttosto che cercare di realizzare una fune spessa da un unico pezzo".

I ricercatori hanno pubblicato un video nel quale un nanocavo sembra essere una cannuccia, mentre gli ioni di litio sembrano essere un liquido che viene aspirato attraverso essa. Variazioni di forma ripetute e repentine possono danneggiare il materiale usato come elettrodo introducendo una serie di piccoli difetti che si accumulano nel corso del tempo.


Schematizzazione del comportamento della batteria del PNNL

In una precedente ricerca Wang era riuscito a scattare una fotografia di un nanocavo dello spessore di un micrometro parzialmente caricato, senza che fosse tuttavia possibile mostrare che cosa accadeva durante la fase di carica. Allo scopo di poter verificare ciò che accade in questo momento, Choming Wang ha collaborato con Jianyu Huang del DOE's Center for Integrated Nanotechnologies presso il Sandia National Laboratories del New Mexico, utilizzando un microsocopio elettronico opportunamente attrezzato e costruendo una batteria in miniatura. Questo strumento ha permesso loro di visualizzare cavi più piccoli, delle dimensioni di 200 nanometri di diametro (un quinto rispetto al nanocavo impiegato nel precedente esperimento) durante la fase di carica.

La batteria in miniatura è stata realizzata utilizzando un elettrodo positivo in ossidio di litio-cobalto ed un elettrodo negativo formato da sottili nanocavi di ossido di stagno. L'elettrolita presente tra i due elettrodi è stato progettato in maniera particolare per resistere alle condizioni del microscopio. Durante la carica della batteria, avvenuta con differenza di potenziale costante, gli elettroni di litio fluiscono dall'elettrodo positivo in direzione del nanocavo di ossido di stagno, attirati dagli elettroni liberi. A questo punto il nanocavo di stagno si allunga e si ispessisce per il 250% circa del suo volume e si contorce come fosse un serpente.

L'analisi al microscopio ha potuto inoltre mostrare che il nanocavo, in forma cristallina, è stato mutato dagli ioni di litio in un materiale vetroso, dove gli atomi sono organizzati in maniera casuale rispetto alla struttura cristallina. I ricercatori sostengono pertanto che è la deformazione che si verifica nella fase di carica a consumare i materiali della batteria nel corso del tempo. "Pensiamo che questo lavoro stimolerà nuove considerazioni per lo stoccaggio dell'energia. E' solo l'inizio e speriamo che il prosieguo del nostro lavoro ci mostrerà come progettare una migliore batteria" ha comentato Wang.

I prossimi lavori di ricerca proveranno ad indagare ciò che accade quando una batteria in miniatura come quella dell'esperimento viene caricata e scaricata repentinamente. I ricercatori hanno inoltre intenzione di portare avanti lo sviluppo di una batteria ricaricabile di dimensioni nanoscopiche pienamente funzionante.

17 Commenti
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+Benito+20 Dicembre 2010, 11:33 #1
gli elettroni di litio fluiscono dall'elettrodo positivo in direzione del nanocavo di ossido di stagno, attirati dagli elettroni liberi



èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè?????????????????????
lelemar20 Dicembre 2010, 11:56 #2
Il mio commento non riguarda l'articolo.

Ragazzi di HW upgrade, ok che vivete sui banner pubblicitari, ma così la situazione è insopportabile. Il banner Canon che spunta fuori da sotto e al centro, l'Acer ICONIA che se poco poco ti sbagli ti invade completamente lo schermo... per non parlare poi quando vi leggo sullo smartphone!!

Scusate dell sfogo ma mi sembra un pò troppo invadente tutto ciò
OldDog20 Dicembre 2010, 12:03 #3
Originariamente inviato da: +Benito+
gli elettroni di litio fluiscono dall'elettrodo positivo in direzione del nanocavo di ossido di stagno, attirati dagli elettroni liberi
èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè?????????????????????

Se volevi scrivere "eeeeh?" nel senso interrogativo, concordo con te che non mi sembra che elettroni liberi attirino elettroni.
Se si va alla fonte, al sito dei Pacific Northwest National Laboratory si legge:
Positively charged lithium ions normally hang out in the positive electrode, where a metal oxide shares its electrons with lithium. But charging a battery pumps free electrons into the negative electrode, which sits across a lake of electrolytes through which lithium ions can swim but electrons can't. The lithium desires the electrons on the negative side of the lake more than the electrons it shares with the metal oxide on the positive side. So lithium ions flow from the positive to the negative electrode, pairing up with free electrons there.

Non fingerò di aver capito cosa scrivono, sia chiaro ma altri potranno interpretare meglio l'articolo.
OldDog20 Dicembre 2010, 12:05 #4
Originariamente inviato da: lelemar
Il mio commento non riguarda l'articolo.

Ragazzi di HW upgrade, ok che vivete sui banner pubblicitari, ma così la situazione è insopportabile. Il banner Canon che spunta fuori da sotto e al centro, l'Acer ICONIA che se poco poco ti sbagli ti invade completamente lo schermo... per non parlare poi quando vi leggo sullo smartphone!!

Scusate dello sfogo ma mi sembra un pò troppo invadente tutto ciò

Oooooccchei, ma pure i tuoi elettroni non potevano portare questo legittimo ma off topic sfogo su di un thread più pertinente?
lelemar20 Dicembre 2010, 12:10 #5
i banner li vedo leggendo le news e non il forum... e poi quale sarebbe il thread più pertinente?
ilguercio20 Dicembre 2010, 12:12 #6
Adblock ci sta per questo.
lelemar20 Dicembre 2010, 12:21 #7
essere costretto ad installare un programma apposito (soprattutto in ambito aziendale dove non posso farlo) è comunque una "violenza". E poi sullo smartphone la vedo meno pratica come soluzione...
ilguercio20 Dicembre 2010, 12:22 #8
Originariamente inviato da: lelemar
essere costretto ad installare un programma apposito (soprattutto in ambito aziendale dove non posso farlo) è comunque una "violenza". E poi sullo smartphone la vedo meno pratica come soluzione...


Il peggio è tuo.
gioboni20 Dicembre 2010, 12:42 #9
@OldDog

Gli ioni di litio caricati positivamente normalmente sono collocati sull'elettrodo positivo, dove un ossido di metallo condovide i suoi elettroni con il litio. Tuttavia caricando una batteria vengono liberati eletroni nell'anodo, dove si posizionano su un superficie di elettroloti attraverso la quale gli ioni di litio possono muoversi, ma gli elettroni no.
Il litio permette di disporre gli elttroni nella zona negativa della superficie sopracitata piuttosto che condividerli con l'ossido di metallo sulla parte positiva. Accade quindi che gli ioni di litiosi spostino dal polo positivo a quello negativo, affiliandosi con gli elettroni liberi qui situati.

Inglese permettendo, mi è parso di capire che si tratta di una sottigliezza riguardo a come far disporre e muovere gli ioni e gli elettroni all'interno delle batterie, potengo così gestire meglio cio che avviene duarante la ricarica delle batterie.
lelemar20 Dicembre 2010, 12:54 #10
per "ilguercio"

risposta molto intelligente, soprattutto sensata...

chiudo qui con la polemica. La mia opinione era rivolta ai ragazzi di HW Upgrade, che seguo da quando hanno fondato il sito. Il mio sfogo so non essere l'unico, molte altre volte ho visto commenti di altri utenti, anche molto meno garbati dei miei.

Ciao

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