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Nuova luce sui materiali catodici per le batterie di prossima generazione

Le batterie che utilizzano catodi fosfati tipo-olivina agli ioni di litio forniscono una combinazione molto vantaggiosa di lunga durata, alta densità energetica e funzionamento stabile ad alte temperature. Ricercatori dell’UE hanno fatto ulteriore luce su questi composti del litio non molto comuni per accelerare l’ingresso su vasta scala nel mercato delle batterie.
Nuova luce sui materiali catodici per le batterie di prossima generazione
La struttura cristallina dei fosfati tipo-olivina agli ioni di litio è molto stabile, e questo fa sì che essi mostrino una eccellente stabilità termica persino a temperature elevate. Altri rilevanti vantaggi commerciali sono rappresentati dal fatto che essi non hanno problemi relativi alla sicurezza come ad esempio surriscaldamento ed esplosione, e hanno durate maggiori e densità energetiche più elevate. L’interesse verso i fosfati di olivina è stato anche riacceso dalla recente scoperta di insolite proprietà di ferrotoroidicità che potrebbero essere la chiave per rendere più veloce la memorizzazione di dati.

I singoli cristalli di questa promettente classe di materiali sono estremamente rari, principalmente a causa dell’elevata volatilità del litio. Nell’ambito del progetto LICRYSTG (Single-crystalline lithium-based model systems of future materials for electrochemical energy storage and data storage), gli scienziati hanno fornito alcuni dei singoli cristalli mancanti in aggiunta ai dati sperimentali che rendono possibile una ulteriore comprensione di ciò che li rende i materiali catodici di prossima generazione.

Il team ha fatto crescere con successo singoli cristalli di alta qualità di differenti composti di litio per studiare ulteriormente anisotropia e ferrotoroidicità. La diffusione anisotropica del litio lungo le varie direzioni cristallografiche può aiutare a sviluppare modelli teorici relativi a prestazioni e invecchiamento della batteria. Una tecnica TSFZ (travelling solvent floating zone) ha consentito la crescita di singoli cristalli di sistemi basati sul litio con una pressione esterna di 150 bar.

Il lavoro dei ricercatori sul disordine locale indotto dal manganese nel fosfato di litio e manganese ha mostrato il motivo per cui l’olivina basata sul manganese esibisce proprietà elettrochimiche relativamente scarse. Studi sull’espansione termica e sulla magnetostrizione hanno fornito informazioni sui cambiamenti strutturali e sull’accoppiamento magnetoelastico. Questi dati erano supportati da specifici studi su calore e magnetizzazione che hanno fornito ulteriori informazioni sulla qualità dei cristalli e sulle proprietà elettroniche. Inoltre, il team ha fornito i diagrammi di fase magnetica. Per cristalli selezionati sono stati determinati i parametri di diffusione anisotropica del litio lungo i principali assi cristallografici.

Studi spettroscopici sul fosfato di litio e cobalto hanno fornito informazioni sull’ordinamento magnetico a corto raggio ad alte temperature.

I risultati del progetto offrono preziose informazioni per ottimizzare e personalizzare materiali per batterie agli ioni di litio nano- e micro-strutturati, aiutando l’Europa ad essere protagonista nelle tecnologie all’avanguardia per le batterie.

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Keywords

Catodo, batterie, olivina, fosfato ioni di litio, cristalli singoli, diffusione litio