Una strategia scalabile per sintetizzare catodi monocristallini più puri e altamente performanti.

14 aprile 2023 artico

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da Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Gli ingegneri energetici e i material scientists stanno continuamente cercando di creare tecnologie di batterie sicure che presentino una maggiore densità energetica e un'efficienza migliore, insieme a cicli di vita più lunghi. Poiché le batterie agli ioni di litio (LiBs) sono tra le tecnologie di batteria più diffuse, molti sforzi di ricerca attuali si concentrano sull'ottimizzazione dei singoli componenti di queste batterie, tra cui i catodi, gli elettrodi positivi all'interno delle cellule della batteria.

La maggior parte dei catodi proposti per LiBs ha morfologie policristalline, il che significa che sono costituiti da più particelle cristalline diverse. Sebbene questi catodi siano facili da fabbricare su larga scala, sono inclini a crepe durante il ciclo della batteria, il che può isolare alcuni materiali attivi al loro interno, esponendoli agli elettroliti liquidi e degradando potenzialmente le prestazioni della batteria.

I catodi a singolo cristallo, che si basano su particelle cristalline di dimensioni di grano singolo, potrebbero potenzialmente contribuire a superare questa cruciale limitazione dei catodi policristallini. Tuttavia, la loro fabbricazione affidabile mediante processi scalabili finora si è dimostrata difficile.

Ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e dell'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Corea del Sud hanno recentemente introdotto una nuova strategia scalabile per la sintesi di catodi a singolo cristallo con alta purezza di fase e buone prestazioni elettrochimiche. Questa strategia, introdotta in Nature Energy, consiste nell'utilizzo di sale di litio fusi per corroderne i confini tra i grani più piccoli e trasformarli in cristalli più grandi, risultando in catodi stratificati a singolo cristallo.

"Vincolati dalla gamma di temperature accessibili per prevenire l'evaporazione del litio, i difetti reticolari e le agglomerazioni di particelle, la produzione di catodi a singolo cristallo con alta purezza di fase, buone prestazioni elettrochimiche e scalabilità resta una sfida," hanno detto Moonsu Yoon, Yanhao Dong e i loro colleghi a Tech Xplore.

"Abbiamo inventato un nuovo processo di attivazione meccano-chimica che offre una soluzione generale al problema della sintesi di catodi a singolo cristallo grossolani con chimica ricca di Li-/Mn o Ni- che differisce dalle rotte meccano-chimiche ad alta intensità di energia e a lunga durata che sono difficili da scalare."

La strategia di sintesi di catodi a singolo cristallo proposta da Yoon, Dong e i loro colleghi si basa su una tecnica di deagglomerazione centrifuga planetaria. Il team ha dimostrato che questa strategia potrebbe consentire la produzione scalabile di catodi a singolo cristallo da materiali facili da reperire, in quanto sono disponibili commercialmente.

"Il nostro approccio si basa sulla bagnabilità reattiva interfaciale, mediata da sali eutettici transitori in situ fusi da moderate agitazioni meccaniche, per formare una sospensione colloidale di ossidi nanometrici dispersi in sali di litio liquefatti," hanno scritto Yoon, Dong e i loro colleghi nel loro articolo. "Deagglomerano efficacemente i precursori policristallini, riposizionano i cristalli e omogeneizzano la distribuzione del sale di litio, consentendo così una facile riduzione della particella in una morfologia a singolo cristallo con prestazioni elettrochimiche migliorate."

Vale la pena notare che i sali di Li fusi utilizzati dai ricercatori possono produrre la reazione desiderata senza la necessità di prodotti chimici aggiuntivi. La loro strategia di sintesi può anche essere facilmente integrata con i processi di produzione di catodi esistenti, il che potrebbe facilitare enormemente la sua adozione diffusa.

Questo recente studio potrebbe presto informare lo sviluppo di ulteriori strategie per la creazione di catodi a singolo cristallo altamente performanti per LiBs. Collettivamente, queste strategie potrebbero contribuire a superare le limitazioni dei catodi esistenti, contribuendo alla creazione di soluzioni di batterie sempre più avanzate.

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