Un team di scienziati guidati dal Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dal Lawrence Bergleley National Laboratory è riuscito a registrare in tempo reale il modo con cui gli ioni di litio si muovono nel titanato di litio, con un elettrodo a batteria a carica rapida realizzato in litio, titanio e ossigeno. Un esperimento che permetterebbe di porre le basi teoriche per confrontare e sviluppare novità senza precedenti per questo tipo di batterie.
Corsia preferenziale
La scoperta riguarda le disposizioni distorte del litio e degli atomi circostanti nelle strutture LTO - strutture di titanato di litio con una concentrazione di litio tra lo stato iniziale e quello finale - che riescono a fornire una sorta di corsia preferenziale per lo spostamento degli ioni.
Lo studio, riportato su Science, offrirebbe dunque spunti per quella che potrebbe essere la progettazione di una batteria agli ioni di litio migliore in termini di velocità di carica per veicoli elettrici ma non solo, anche per device come smartphone o computer portatili.
"Bastano pochi minuti per riempire il serbatoio di un'auto, ma ore per caricare la batteria di un veicolo elettrico. Capire come far muovere gli ioni di litio più velocemente nei materiali degli elettrodi è fondamentale." Feng Wang dipartimento scienze interdisciplinari Brookhaven Lab.
La grafite, comunemente utilizzata come anodo per le batterie agli ioni di litio più evolute, può dunque ricevere un'alternativa estremamente interessante dalle strutture LTO che possono infatti ospitare rapidamente gli ioni di litio senza soffrire del fenomeno della placcatura del litio stesso, ovvero la deposizione di litio sulla superficie dell'elettrodo invece che internamente.
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Una cella per "vedere"
Lo studio è stato possibile grazie alla progettazione di una cella elettrochimica per operare all'interno di un microscopio elettronico a trasmissione. Questa cella elettrochimica ha consentito al team di condurre una spettroscopia a perdita di energia durante la fase di carica e scarica di una batteria. In parole più semplici, la perdita di energia dipende dal cambiamento degli elettroni dopo aver interagito con un campione per così misurare e rilevare le informazioni sugli stati chimici del campione.
L'analisi ha portato a capire che le LTO hanno configurazioni intermedie metastabili in cui gli atomi non sono disposti nella loro solita disposizione. Dunque queste "distorsioni" poliedriche abbassano le barriere energetiche, fornendo un "percorso" più rapido.