Scoperto presso il MIT il meccanismo delle batterie litio-ferro fosfato

Per la sua stabilità, durata e sicurezza,  fin dalla sua scoperta 15 anni fa il fosfato di litio e ferro (II)  (LFP) è stato considerato uno dei materiali più promettenti per le batterie ricaricabili. Tale batteria è stata al centro di importanti progetti di ricerca in tutto il mondo ed ha trovato utilizzo specialmente nei veicoli elettrici. Nonostante questo interesse diffuso, le caratteristiche insolite di carica e scarica di tali batterie non era mai stato chiarito. Una molecola  di fosfato di litio e ferro (II)  si divide in gruppi che sono ricchi o poveri di litio. Tuttavia il MIT ha trovato che tale fenomeno non si verifica quando la batteria viene caricata ad un livello di corrente abbastanza alto. Ora, grazie alle ricerche del Professore di ingegneria chimica e matematica Martin Z. Bazant del MIT si sono avuti risultati sorprendenti che mostrano come il materiale si comporti in modo diverso da quanto si potesse supporre il che non potrà non contribuire alla scoperta di nuove batterie. Quando fu scoperta, tale batteria, fu considerata utile solo per applicazioni a bassa potenza. Successivamente, anche grazie al contributo di alcuni ricercatori del MIT quali Yet-Ming Chiang, si è compreso come le prestazioni potessero essere migliorate con l’utilizzo  sotto forma di nanoparticelle, approccio che ha reso tale tipo di batteria molto più fruibile. Tuttavia le ragioni per le quali le nanoparticelle di LiFePO4 dessero risultati così soddisfacenti non erano mai state chiarite a sufficienza. Si riteneva che ill processo per il quale il materiale, durante il processo di carica o scarica si separasse in due fasi con diversa concentrazione di ione litio, fosse imputabile a una bassa capacità di alimentazione del materiale. La nuova ricerca, invece, mostra che, in molte condizioni reali, questa separazione non avviene. La teoria di Bazant predice che, oltre una corrente critica, la reazione è così veloce che il materiale perde la sua tendenza a separarsi in fasi cosa che avviene a livelli di potenza inferiori. Appena sotto la corrente critica, il materiale passa attraverso uno stato di “soluzione quasi solida” durante il quale non ha il tempo di completare la separazione di fase cosa che spiega il motivo per il quale tale materiale si presta così bene nelle batterie ricaricabili. I risultati ottenuti tramite analisi teoriche, esperimenti di laboratorio ed elaborazioni al computer mostrano come si possa giungere alla realizzazione di nuove scoperte tramite il lavoro congiunto di vari ricercatori, secondo le rispettive sfere di competenza. Le precedenti analisi di tale materiale erano state effettuate senza tener conto della dinamica del suo comportamento, mentre i ricercatori del MIT hanno studiato le variazioni del materiale durante l’uso sia mentre la batteria viene caricata che mentre la stessa viene scaricata e rilevato come le sue proprietà cambino nel corso del tempo cosa che si è rivelata fondamentale per comprenderne al meglio le sue prestazioni. Bazant aggiunge che tale approccio non era mai stato compiuto e che potrebbe costituire una buona base per lo studio di nuovi tipi di batterie. A bassa corrente, il litio forma bande parallele di materiale arricchito e le bande si muovono attraverso le particelle non appena esse sono cariche. Tuttavia, a livelli di corrente elevati,  non vi è alcuna separazione né in bande, né in strati; ogni particelle assorbe tutto il litio immediatamente con una trasformazione da povero di litio a ricco di litio. Le zone ricche di litio e povere di litio tendono a formare bande all’interno del fosfato di litio e ferro (II). Tale scoperta aiuta a capire il motivo per il quale tali batterie hanno una tale durata. Quando sono presenti  zone costituite da fasi diverse, i legami tra loro sono fonte di tensione che possono provocare una rottura o un graduale degrado durante il funzionamento. Viceversa quando vi è un cambiamento immediato non sono presenti tali tipi di legame e quindi non avvengono fenomeni indesiderati. Un tale fenomeno è inusuale, spiga Bazant, infatti abitualmente se si fa qualcosa velocemente si può provocare un danno maggiore, mentre in questo caso avviene l’opposto.

Mentre la maggior parte delle analisi erano state fatte a livello di atomi e molecole, è stato scoperto che i fenomeni chiave possono essere rilevati solo  sulla scala delle stesse nanoparticelle stesse molte migliaia di volte più grandi.

Troy Farrell, docente di matematica presso la Queensland University, che non ha partecipato a questo lavoro, ritiene che queste ricerche possano costituire un valido apporto nello sviluppo delle batterie al litio che potrebbero avere applicazioni più vaste rispetto a quelle fin qui utilizzate. “ capire la motivazione per la quale tali batterie avessero così buone prestazioni è stato uno dei puzzles più interessanti che abbia incontrato” sostiene Bazant “ ci sono voluti cinque anni per risolverlo”.

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Author: Chimicamo

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