Alla guida della carica: una nuova ricerca apre la strada all’energia

Tecnologia scientifica

Sin dagli anni ’40, gli scienziati hanno esplorato l’uso dell’ossido di niobio, in particolare una forma di ossido di niobio nota come T-Nb2O5, per creare batterie più efficienti. Questo materiale unico è noto per la sua capacità di consentire agli ioni di litio, le minuscole particelle cariche che fanno funzionare le batterie, di muoversi rapidamente al suo interno. Quanto più velocemente questi ioni di litio possono muoversi, tanto più velocemente la batteria può essere caricata.

La sfida, tuttavia, è sempre stata quella di far crescere questo materiale di ossido di niobio in strati sottili e piatti, o “film”, di qualità sufficientemente elevata da poter essere utilizzato in applicazioni pratiche. Questo problema deriva dalla struttura complessa del T-Nb2O5 e dall'esistenza di molte forme simili, o polimorfi, dell'ossido di niobio.

In un articolo pubblicato su Nature Materials, i membri del gruppo di ricerca di Andrew Rappe presso l'Università della Pennsylvania hanno collaborato con ricercatori del Max Planck Institute e dell'Università di Cambridge e hanno dimostrato con successo la crescita di strati monocristallini di alta qualità di T-Nb2O5, allineati in modo da consentire agli ioni di litio di muoversi molto più velocemente.

“Questo cambiamento radicale consente una serie di potenziali applicazioni, dalla ricarica ad alta velocità delle batterie all’informatica ad alta efficienza energetica e altro ancora”, afferma Rappe.

"Le nostre modalità convenzionali di stoccaggio del litio nei catodi di solito si basano su un processo di ricristallizzazione che tende a interferire con la struttura, come quelli che vediamo nelle batterie di oggi", afferma il coautore Zhen Jiang, ex ricercatore post-dottorato presso il Rappe Group.

Aaron Schankler, uno studente laureato presso la School of Arts & Sciences, aggiunge: "Ciò che hanno fatto il team del Max Planck e dell'Università di Cambridge è trovare un modo per spostare gli ioni di litio in modo da non interrompere la struttura cristallina del nostro film sottile T-Nb2O5 e abbiamo contribuito a razionalizzare il motivo per cui gli ioni possono entrare e uscire rapidamente e in modo reversibile”.

Rappe paragona T-Nb2O5 a una struttura di parcheggio multipiano in cui gli ioni di litio sono automobili e la struttura di T-Nb2O5 forma canali aperti, o rampe, che consentono alle auto di muoversi su e giù tra i livelli.

“Crescendo il T-Nb2O5 in modo che questi canali corrano verticalmente, o “su e giù”, il nostro team ha reso possibile che gli ioni di litio si muovano significativamente più velocemente, consentendo così cambiamenti rapidi e colossali nelle proprietà elettriche dei film sottili inserendo gli ioni di litio tra gli atomi nel terminale negativo del nostro sistema”, afferma il primo autore Hyeon Han del Max Planck Institute.

Rappe osserva che i ricercatori dell'Università di Cambridge hanno lavorato a stretto contatto con il suo team e hanno scoperto molteplici transizioni precedentemente sconosciute nella struttura del materiale man mano che la concentrazione degli ioni di litio cambiava.

Queste transizioni modificano le proprietà elettroniche del materiale, permettendogli di passare dall’essere un isolante a un metallo, ovvero dal bloccare la corrente elettrica al condurla. Questo è un cambiamento drammatico; la resistività del materiale diminuisce di un fattore di 100 miliardi.

Il team della Penn ha sviluppato il lavoro computazionale per teorizzare le condizioni necessarie per dare origine alla stabilità delle transizioni attraverso calcoli della teoria del funzionale della densità, un metodo quantomeccanico utilizzato per studiare la struttura elettronica dei sistemi a molti corpi, in particolare atomi, molecole e fasi condensate. Rappe afferma che con questo metodo il team potrebbe calcolare e prevedere il comportamento dei materiali in diverse condizioni.

Dice che i calcoli teorici hanno aiutato a razionalizzare le molteplici transizioni di fase osservate, nonché il modo in cui queste fasi potrebbero essere correlate alla concentrazione degli ioni di litio e alla loro disposizione all’interno della struttura cristallina. Questa comprensione, a sua volta, ha permesso ai ricercatori di controllare e manipolare efficacemente le proprietà elettroniche dei film sottili di T-Nb2O5.

“I calcoli delle simulazioni atomistiche hanno grandi vantaggi nel far avanzare i fondamenti della scienza nel mondo accademico ma anche varie tecnologie nell’industria”, afferma Arvin Kakekhani, ex ricercatore post-dottorato presso il Rappe Group. “Questo lavoro mostra come questi calcoli possano integrare gli esperimenti, chiarendo il ruolo della diffusione del litio nelle proprietà elettriche di importanti batterie a stato solido e materiali elettronici”.