Ricerca sulle batterie con il microscopio a raggi X HZB

L'immagine a sinistra mostra le immagini nanotomografiche di una particella LRTMO prima del primo ciclo di carica (sopra) e dopo 10 cicli di carica (sotto). A destra sono riportate le simulazioni corrispondenti con pori isolati (celeste), la cui quantità aumenta dopo 10 cicli di carica (in basso a destra). © HZB / The left side of the figure shows nanotomography images of an LRTMO particle taken at the TXM of BESSY II before the first charging cycle (top) and after 10 charging cycles (bottom). In the simulation (right side), the isolated pores are highlighted in light blue. After 10 charging cycles, the number of pores and cracks has significantly increased. © HZB

Per aumentare ulteriormente la capacità delle batterie al litio, vengono sviluppati nuovi materiali per il catodo. Gli ossidi di metalli di transizione ricchi di litio a più strati (LRTMO) consentono una densità energetica particolarmente elevata. Tuttavia, ad ogni ciclo di carica, la loro capacità diminuisce, legata a cambiamenti strutturali e chimici. Con indagini a raggi X condotte presso BESSY II, un team di istituti di ricerca cinesi ha misurato per la prima volta questi cambiamenti in modo sperimentale con la massima precisione: grazie a un microscopio a raggi X unico nel suo genere, hanno potuto osservare sviluppi morfologici e strutturali su scala nanometrica, chiarendo anche i cambiamenti chimici.

Le batterie agli ioni di litio devono diventare ancora più potenti grazie a nuovi materiali per il catodo. In questo modo, i catodi di metallo di transizione ricchi di litio a strati (LRTMO) potrebbero aumentare ulteriormente la capacità di carica e essere impiegati in batterie al litio ad alte prestazioni. Tuttavia, finora si è osservato che questi materiali del catodo si "invecchiano" rapidamente: attraverso il movimento avanti e indietro degli ioni di litio durante la carica e la scarica, il materiale del catodo cambia. Fino a ora, non era chiaro quali fossero esattamente questi cambiamenti.

Per questo, team di istituti di ricerca cinesi hanno richiesto tempo di misurazione con il microscopio a raggi X a trasmissione (TXM) unico al mondo, presso un raggio di uniduttore presso il ring di memorizzazione BESSY II, per analizzare i loro campioni di materiale con tomografia 3D e spettroscopia a nanoscale. Le misurazioni al TXM dell'HZB furono condotte allora, prima della pandemia di Covid-19 nel 2019, dal dott. Peter Guttmann dell'HZB. Successivamente, l'analisi microscopica a raggi X è stata integrata da ulteriori indagini spettroscopiche e microscopiche. Dopo un'analisi approfondita dei dati ricchi di informazioni, sono stati ottenuti i risultati: forniscono informazioni sui cambiamenti nella morfologia e nella struttura del materiale, ma anche sui processi chimici durante lo scarico.

"La microscopia a raggi X a trasmissione con raggi X morbidi permette di visualizzare in modo tridimensionale gli stati chimici delle particelle LRTMO con alta risoluzione spaziale e di ottenere approfondimenti sulle reazioni chimiche durante il ciclo elettrochimico", spiega il dott. Stephan Werner, che supervisiona scientificamente e sviluppa ulteriormente lo strumento.

Quindi, i risultati forniscono indicazioni su distorsioni locali del reticolo, associate a trasformazioni di fase e formazione di nanopori. È stato anche possibile determinare localmente gli stati di ossidazione di singoli elementi. La velocità dei processi di carica gioca un ruolo importante: una carica lenta favorisce le trasformazioni di fase e la perdita di ossigeno, mentre una carica rapida porta a distorsioni del reticolo e a una diffusione disomogenea di litio.

"Abbiamo qui al TXM un'opzione unica: possiamo offrire una tomografia a raggi X a trasmissione con energia elevata", afferma Werner. "In questo modo otteniamo un'immagine 3D con informazioni strutturali per ogni livello energetico specifico di elemento — cioè, l'energia è qui la quarta dimensione."

Le scoperte di questo studio forniscono informazioni preziose per lo sviluppo di catodi ad alte prestazioni, che rimangano stabili nel lungo termine e resistano ai cicli. "Il TXM è perfettamente adatto a future indagini in operando — cioè durante la carica o la scarica — per fornire nuove intuizioni sui cambiamenti morfologici e chimici nei materiali delle batterie", afferma il prof. Gerd Schneider, che ha sviluppato il TXM.