L’elettrificazione di veicoli pesanti e aerei richiede batterie ad alta densità energetica. Il team di ricerca ritiene che sia necessario un cambiamento di paradigma per avere un impatto significativo sulla tecnologia delle batterie in questi settori. Questa modifica utilizzerà il meccanismo di ossidazione di riduzione degli ioni dell’anodo ricco di litio. I risultati di uno studio pubblicato su Nature indicano che questa reazione di ossidazione ionica è stata osservata per la prima volta direttamente nei materiali delle batterie ricchi di litio.
Le istituzioni collaborative includono la Carnegie Mellon University, l’Università di Doha, la finlandese Lappeenranda-Lahdi University of Technology (LUT) e le aziende giapponesi Konma University, Japan Institute for Synchronous Radiation Research (Jasri), Yokohama National University, Kyoto University e Ritzomygon.
Gli ossidi di litio ricchi sono considerati un tipo promettente di materiale catodico perché hanno elevate capacità di stoccaggio. Tuttavia, c’è un “problema totale” che i materiali della batteria devono affrontare: il materiale deve caricarsi rapidamente, essere stabile a temperature estreme e ruotare in modo affidabile migliaia di volte. Gli scienziati hanno bisogno di una chiara comprensione di come funzionano questi ossidi a livello atomico e come funzionano i loro meccanismi elettrochimici di base per risolvere questo problema.
Le normali batterie agli ioni di litio funzionano per ossidazione caustica. Quando il litio viene introdotto o rimosso, gli ioni metallici cambiano il suo stato di ossidazione. In questo frame di input, ogni ione metallico può immagazzinare solo uno ione di litio. Tuttavia, i catodi ricchi di litio possono risparmiare molto. I ricercatori lo chiamano meccanismo redox, in questo caso ossidazione dell’ossigeno. È un meccanismo altamente efficiente del materiale e il suo accumulo di energia è quasi il doppio di quello di un catodo convenzionale. Sebbene questo meccanismo redox sia diventato un importante concorrente della tecnologia delle batterie, rappresenta un’intera gamma di ricerche sulla chimica dei materiali.
Il team ha deciso di utilizzare lo scattering Compton per fornire prove conclusive per il meccanismo redox. Lo scattering Compton si riferisce al fenomeno in cui fotoni e particelle (di solito elettroni) interagiscono tra loro e deviano da un percorso rettilineo. I ricercatori hanno condotto complessi studi teorici e sperimentali sull’impianto di radiazione simultanea di terza generazione al mondo SPring-8, alimentato da JASRI. La radiazione sincrona consiste in un raggio corto e potente di radiazione elettromagnetica che viene prodotto quando un raggio di elettroni viene accelerato (quasi) alla velocità della luce e costretto a viaggiare in un percorso curvo da un campo magnetico. Compton conosce la dispersione. Come sono stati ripresi e visualizzati gli orbitali elettronici al centro di un processo di ossidazione ionica stabile e reversibile e ne sono state determinate le proprietà e le simmetrie. Questo sforzo scientifico potrebbe cambiare le regole del gioco per la futura tecnologia delle batterie.
Sebbene studi precedenti abbiano fornito spiegazioni alternative per il meccanismo redox nell’ananas, non possono fornire un’immagine chiara degli orbitali elettronici quantomeccanici associati alle reazioni redox perché non possono essere misurati con esperimenti standard.
Quando il team di ricerca ha visto per la prima volta la coerenza tra i risultati teorici e sperimentali basati sulle proprietà redox, si è reso conto che le attività analitiche potevano descrivere il livello di ossigeno responsabile del meccanismo redox, che è molto importante per la ricerca sulle batterie.
“Abbiamo forti prove a sostegno del meccanismo Anon Redox nei prodotti a batteria ricchi di litio”, ha affermato Venkat Viswanathan, assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria meccanica della Carnegie Mellon University. La nostra ricerca fornisce un quadro chiaro della funzione delle batterie ricche di litio a livello atomico e suggerisce un percorso per progettare la prossima generazione di catodi per la realizzazione del livello elettrico.
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