Troppi difetti possono rovinare le batterie

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Inserendo difetti strutturali nei materiali per migliorarne le caratteristiche ma troppi di essi danneggiano le batterie anziché migliorarle
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Troppi difetti possono rovinare le batterie

Difetti strutturali nelle batterie hanno offerto agli scienziati della Rice University un quadro sui rischi di spingere troppo oltre le celle a ioni di litio. Nuove simulazioni dello scienziato dei materiali Ming Tang e dello studente laureato Kaiqi Yang, riportate in un articolo sul Journal of Materials Chemistry A, mostrano che uno stress eccessivo nei catodi di litio ferro fosfato ampiamente utilizzati può aprire crepe e degradare rapidamente le batterie.

Un aiuto per il litio

Rice che ha dimostrato come l’inserimento di difetti nel catodo potrebbe migliorare le prestazioni delle batterie fino a due ordini di grandezza aiutando il litio a muoversi in modo più efficiente. Ma il successivo studio di modellazione del laboratorio ha rivelato un problema. Sotto la pressione di una carica e scarica rapida, i catodi carichi di difetti rischiano di fratturarsi.

“L’immagine convenzionale è che il litio si muove in modo uniforme nel catodo, con una regione ricca di litio che si espande dolcemente nel centro del catodo”,

ha detto Tang, assistente professore di scienza dei materiali e nanoingegneria alla Brown School of Engineering di Rice.

Ma le immagini a raggi X scattate in un altro laboratorio hanno mostrato qualcos’altro.

“Hanno visto un confine simile a un dito tra le regioni ricche di litio e quelle povere di litio, quasi come quando si inietta acqua nel petrolio”, ha detto. “La nostra domanda era: cosa causa questo?”

Il problema dello stress

La risposta sembra essere che lo stress destabilizza il confine inizialmente piatto e lo fa diventare ondulato, ha detto Tang. Il cambiamento nella forma del contorno aumenta ulteriormente il livello di stress e innesca la formazione di crepe. Lo studio del gruppo di Tang mostra che questa instabilità può essere aumentata da un tipo comune di difetto nei composti della batteria chiamati antisiti, dove gli atomi di ferro occupano punti nel cristallo dove dovrebbero essere gli atomi di litio.

“Gli antisiti possono essere una buona cosa, come abbiamo mostrato nell’ultimo articolo, perché accelerano la cinetica di intercalazione del litio. Ma qui mostriamo un controeffetto: troppi antisiti nelle particelle incoraggiano l’interfaccia in movimento a diventare instabile e quindi generare più stress. “

ha detto Tang,

Tang crede che ci sia un livello ideale per il numero di antisiti in un catodo.

“Volete avere un livello adeguato di difetti e richiederà alcuni tentativi ed errori per capire come raggiungere la giusta quantità delle particelle. Pensiamo che le nostre nuove previsioni potrebbero essere utili agli sperimentalisti”.

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Batterie al litio
Rappresentazione grafica di un difetto atomico
Stress in un reticolo cristallino