Uno studio dell'U Michigan rileva crepe a Li

Secondo una ricerca condotta presso l’Università del Michigan, invece di essere esclusivamente dannose, le crepe nei catodi delle batterie agli ioni di litio riducono il tempo di ricarica delle batterie. Ciò è contrario al punto di vista di molti produttori di veicoli elettrici, che cercano di ridurre al minimo le rotture perché ciò diminuisce la longevità della batteria. Un documento ad accesso libero sul lavoro è pubblicato sulla rivista RSC Energy & Environmental Science.

Le particelle secondarie policristalline Li(Ni,Mn,Co)O2 (NMC) sono i materiali catodici più comuni per le batterie agli ioni di litio. Durante la (s)carica elettrochimica, si ritiene che il litio si diffonda attraverso la massa ed entri (lasci) nella particella secondaria in superficie. Sulla base di questo modello, le particelle più piccole ciclicherebbero più velocemente a causa delle lunghezze di diffusione più brevi e dei rapporti superficie-volume più grandi. In questo lavoro, valutiamo questo presupposto diffuso sviluppando una nuova piattaforma elettrochimica a singola particella ad alto rendimento utilizzando l'array multielettrodo delle neuroscienze. Misurando i tempi di reazione e diffusione per 21 singole particelle negli elettroliti liquidi, non troviamo alcuna correlazione tra la dimensione delle particelle e i tempi di reazione o diffusione, il che è in netto contrasto con il modello di trasporto del litio prevalente.

Proponiamo che le reazioni elettrochimiche avvengano all'interno delle particelle secondarie, probabilmente a causa della penetrazione dell'elettrolita nelle fessure. La nostra piattaforma elettrochimica a singola particella ad alta produttività apre ulteriormente nuove frontiere per una quantificazione statistica efficace delle singole particelle nei sistemi elettrochimici.

Meccanismo proposto per tempi di reazione e diffusione indipendenti dalle dimensioni(UN) Il modello standard per il trasporto del litio a livello di particelle presuppone che il litio entri nella superficie delle particelle secondarie e si diffonda nella massa. Di conseguenza, la lunghezza di diffusione effettiva aumenta con il diametro delle particelle secondarie.(B) Min et al. proporre che la scala di lunghezza rilevante (rEffective) sia molto più corta del raggio della particella secondaria ed è indipendente dal diametro della particella secondaria. Una possibilità è che l'elettrolita penetri nella particella a causa della fessurazione intergranulare. Min et al.

Il team ritiene che i risultati si applichino a più della metà di tutte le batterie per veicoli elettrici, in cui il catodo è composto da trilioni di particelle microscopiche costituite da ossido di litio nichel manganese cobalto o ossido di litio nichel cobalto alluminio.

Teoricamente, la velocità con cui il catodo si carica dipende dal rapporto superficie-volume delle particelle. Le particelle più piccole dovrebbero caricarsi più velocemente delle particelle più grandi perché hanno una superficie maggiore rispetto al volume, quindi gli ioni di litio hanno distanze più brevi per diffondersi attraverso di esse.

Tuttavia, i metodi convenzionali non sono in grado di misurare direttamente le proprietà di carica delle singole particelle catodiche, ma solo la media di tutte le particelle che compongono il catodo della batteria. Questa limitazione significa che la relazione ampiamente accettata tra velocità di carica e dimensione delle particelle del catodo era semplicemente un presupposto.

Misurare la velocità di carica delle singole particelle catodiche è stato fondamentale per scoprire i vantaggi della rottura dei catodi. I ricercatori hanno ottenuto questo risultato inserendo le particelle in una matrice multi-elettrodo, un dispositivo che viene tipicamente utilizzato dai neuroscienziati per studiare come le singole cellule cerebrali trasmettono segnali elettrici.

Progettazione e realizzazione di array multielettrodici(UN) Illustrazione schematica di un array multielettrodo ad alto rendimento. I microelettrodi Au sono modellati su un substrato di silicio con ossido termico da 500 nm. I cuscinetti di contatto Au, di circa 1 mm ciascuno, sono modellati sul confine della matrice e collegati elettricamente ai microelettrodi al centro.(B) Un'immagine ottica degli elettrodi. Il chip contiene 2 grandi elettrodi di contro/riferimento e 62 microelettrodi funzionanti più piccoli.(C) Immagine ingrandita di quattro microelettrodi funzionanti con particelle NMC assemblate. Ciascun microelettrodo Au è 20 × 20 µm; i fili di Au sono passivati ​​con 50 nm di nitruro di silicio.