Osservazione in tempo reale della dissoluzione degli ioni metallici nei catodi delle batterie al litio mediante risonanza magnetica
Questa tecnica può aiutare a capire come funzionano le reazioni nelle batterie e a testare tecnologie alternative per le batterie
Molti dei dispositivi che rendono la vita moderna comoda ed efficiente si basano su batterie ricaricabili. Le batterie agli ioni di litio, uno dei tipi più utilizzati, sono poco costose e funzionano ad alta tensione, il che le rende ideali per molti dispositivi elettronici e veicoli elettrici. Tuttavia, hanno un problema ricorrente di degrado delle prestazioni con l'uso ripetuto e ci sono crescenti preoccupazioni sulla sicurezza dell'uso di queste batterie con l'invecchiamento.
Illustrazione di come è stata utilizzata la risonanza magnetica per osservare la dissoluzione degli ioni metallici
©Hellar et al.
Una delle cause di questo calo di prestazioni è la dissoluzione degli ioni metallici del catodo negli elettroliti della batteria. Tuttavia, è stato difficile studiare questo processo perché le quantità prodotte durante la dissoluzione sono molto piccole. Per capire cosa succede nella batteria al catodo, i ricercatori devono quindi sapere dove, quando e in che misura avviene la dissoluzione prima di poter affrontare il problema.
I ricercatori della Tohoku University hanno lavorato a un metodo per rilevare e analizzare la dissoluzione dello ione metallico nel catodo. Utilizzando la risonanza magnetica (MRI), sono stati in grado di osservare la dissoluzione direttamente e in tempo reale.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Communications Materials il 13 febbraio 2025.
Secondo Nithya Hellar, ricercatore presso l'Istituto di Ricerca Multidisciplinare per i Materiali Avanzati (IMRAM) dell'Università di Tohoku, "I risultati del presente studio dimostrano che la dissoluzione di una piccolissima quantità di manganese (Mn) può essere rilevata con un'elevata sensibilità dalla risonanza magnetica e visualizzata in tempo reale, il che può accelerare notevolmente la velocità della ricerca".
La risonanza magnetica è una tecnica di imaging medico che utilizza campi magnetici e onde radio per creare scansioni di immagini. Per migliorare la visibilità delle aree di interesse in un'immagine di risonanza magnetica, si utilizzano agenti di contrasto come il gadolinio. Il gadolinio è paramagnetico e può modificare le proprietà magnetiche delle aree target, aumentandone la visibilità nella risonanza magnetica.
Il gruppo dell'Università Tohoku è riuscito a sfruttare questo principio della risonanza magnetica, poiché il Mn disciolto dal catodo è paramagnetico. In particolare, hanno studiato la dissoluzione di Mn2+ dal catodo LiMn2O4 simile a uno spinello in un elettrolita per batterie disponibile in commercio, LiPF6 EC:DMC. Se si verificasse una dissoluzione, si noterebbe nelle immagini di risonanza magnetica un aumento dell'intensità del segnale, e questo è esattamente ciò che hanno visto. L'uso della risonanza magnetica ha permesso di osservare la dissoluzione direttamente e in tempo reale.
I ricercatori hanno utilizzato questa tecnica per verificare se un sistema elettrolitico alternativo potesse sopprimere la dissoluzione. Con l'aiuto della risonanza magnetica, hanno potuto osservare la dissoluzione dello ione metallico. Ne consegue che la dissoluzione non si verifica se il segnale non aumenta. Hanno testato il sistema elettrolitico LiTFSI MCP sviluppato dai ricercatori del centro di ricerca sulle batterie MEET (Munster Electrochemical Energy Technology) dell'Università di Münster, che si presumeva avrebbe soppresso la dissoluzione dello ione metallico. L'intensità del segnale nella risonanza magnetica non è aumentata in modo significativo. Da ciò hanno concluso che non si è verificata alcuna dissoluzione.
L'applicazione di questo metodo di prova fornisce un aiuto prezioso ai ricercatori per "studiare la dissoluzione degli ioni metallici in qualsiasi sistema elettrochimico in varie condizioni elettrochimiche, come la modifica della soluzione elettrolitica, del sale, degli elettrodi e degli additivi. Questo metodo di identificazione può aiutare a sviluppare materiali per le batterie al litio e a migliorarne le prestazioni", afferma Junichi Kawamura, professore emerito della Tohoku University.
Guardando al futuro, è molto promettente che questa tecnica possa aiutare i ricercatori a capire come funzionano le reazioni in queste batterie e a testare tecnologie alternative per le batterie. "Riteniamo che il metodo qui sviluppato possa rispondere alla domanda, rimasta a lungo senza risposta, su quando, dove e come avviene la dissoluzione degli ioni metallici nell'elettrodo delle batterie agli ioni di litio e che possa essere esteso ad altri sistemi elettrochimici", afferma Hellar.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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