Costruire una batteria migliore

Jul 08, 2023

Gli scienziati sanno cosa fa sì che le batterie agli ioni di litio rilascino energia per alimentare i nostri telefoni, dispositivi, automobili: le nostre vite. Gli atomi di litio carichi, chiamati ioni, si muovono attraverso un elettrolita liquido in strati di grafite consentendo agli elettroni di fluire e alimentare i dispositivi. Questo processo è chiamato intercalazione.

Ma gli scienziati non capiscono molto del processo, ha detto Scott Warren, professore associato nel dipartimento di chimica del College of Arts and Sciences. “Come fa il litio ad entrare ed uscire dalla grafite. Come si carica? Come si scarica?"

Le risposte a queste domande sono ciò che Miguel Reyna, uno studente di chimica di Fayetteville, nella Carolina del Nord, cerca nel laboratorio di Warren. Un premio Summer Undergraduate Research Fellowship di $ 5.000 sostiene la ricerca di Reyna.

Reyna sta esaminando l'intercalazione, che produce più colori. "Rosso, arancione, giallo, blu, viola: un colore per ogni fase distinta di quella trasformazione", ha detto Warren. “Quelle fasi non sono state completamente caratterizzate. Cosa sta succedendo in ciascuna di queste fasi?

Riproducendo costantemente le fasi e analizzandole, Reyna spera di migliorare la comprensione delle batterie da parte dei ricercatori e di contribuire a migliorarle. Uno degli obiettivi è immagazzinare più litio nelle batterie per aumentare l’energia necessaria per una ricarica più lunga.

“È come cercare di sfruttare al massimo un cassetto di uno schedario. Il litio è la carta. Abbiamo un cassetto pieno di cartelle e ci chiediamo quanti pezzi di carta possiamo inserire e funzionerà ancora", ha detto Reyna.

Riempire troppo litio nello stesso spazio per aumentare la tensione o la potenza, ha detto Warren, potrebbe far gonfiare la batteria, perdere liquidi, rompersi o subire reazioni chimiche indesiderate.

Reyna inizia i suoi esperimenti costruendo un dispositivo basato sull'anatomia delle batterie domestiche con due elettrodi: uno positivo e uno negativo. Conservano e rilasciano ioni di litio durante la carica e la scarica, come una spugna assorbe l'acqua e la rilascia quando viene strizzata. Un elettrolita, solitamente un liquido contenente sale di litio disciolto, conduce o consente agli ioni di litio di fluire tra gli elettrodi per immagazzinare e produrre energia elettrica.

Un vetrino da laboratorio in vetro costituisce la base del dispositivo. Reyna usa una macchina sputterer per rivestire il vetrino con uno strato lucido di titanio sottile come una bolla di sapone. Incolla un telaio in Teflon (si pensi al telaio di una finestra rettangolare in miniatura) sullo scivolo con resina epossidica. Con lunghe pinzette, fissa uno strato di grafite sottile come un capello umano all'interno del telaio, quindi applica un voltmetro per assicurarsi che conduca l'elettricità.

Dopo che la resina epossidica si è solidificata in tre giorni, viene trasferita in uno spazio di lavoro chiamato vano portaoggetti privo di ossigeno. Reyna posiziona il dispositivo nella scatola attraverso una camera d'aria, quindi entra all'interno con lunghi guanti di gomma attaccati ai fori nella scatola per trattenere il vetrino. Aggiunge litio in forma liquida e sigilla il dispositivo.

Quindi mette il dispositivo al microscopio ottico per verificarne la qualità. Se è strutturalmente solido, inizia a filmare l'intercalazione per quattro ore. È qui che spera di vedere le fasi della migrazione a colori.

I suoi obiettivi sono riprodurre in modo coerente il dispositivo e l'esperimento e vedere uno schema di progressione visualizzato in molti esperimenti. "Spero di mettere a punto questo dispositivo in modo da poter vedere i colori perfettamente." Una volta che ha visto costantemente lo schema, il team può utilizzare altri metodi di imaging per saperne di più sull’intercalazione.

“Se riusciamo a comprendere i fondamenti, potremmo capire come renderlo più efficiente, magari portare qualche innovazione nelle batterie”, ha detto Reyna.