Viaggio all'interno di una batteria agli ioni di litio, pixel by pixel

Si dice che se un bambino rompe un oggetto, sia per capire come funziona e non per fare un dispetto; allo stesso modo, anche gli adulti conservano la voglia di capire come funzioni un determinato meccanismo, soprattutto se non possono vederlo.

Dal momento che rompere le cose non è sempre – anzi, non è mai – una strada percorribile, la scienza ha sviluppato diverse tecnologie che permettano all'umana curiosità di essere soddisfatta. Dalle telecamere a infrarossi, passando alla mostra "Archeologia invisibile" allestita dal Museo Egizio di Torino nel 2020, oggi sono numerosi gli strumenti che ci permettono di sbirciare oltre muri, scatole, involucri, o più in generale contenitori di vario genere senza romperli e/o danneggiarli.

Seguendo questa linea di pensiero e i più recenti ed innovativi dispositivi tecnologici, i ricercatori della Stanford University sono riusciti a vedere cosa avviene all'interno di una batteria agli ioni di litio attraverso filmati a raggi X, che hanno mostrato come le particelle assorbono e rilasciano ioni di litio durante i processi di carica/scarica.

Compiendo un ulteriore (ed enorme) passo in avanti, gli accademici hanno utilizzato un tipo di apprendimento automatico chiamato "computer vision" per scavare ancora più a fondo, analizzando ogni singolo pixel di quei filmati scoprendo dettagli fisici e chimici del ciclo della batteria che non sono mai stati osservati prima d'ora.

Secondo i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, dell'Università di Stanford e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) la mole di informazioni acquisite ha già suggerito una nuova strategia per far sì che i miliardi di nanoparticelle contenute in un tipo di elettrodo di batteria agli ioni di litio siano in grado di immagazzinare e rilasciare la carica in modo più efficiente.

Lo studio "Learning heterogeneous reaction kinetics from X-ray videos pixel by pixel" è stato pubblicato su Nature.

"Fino ad ora, potevamo realizzare questi bellissimi filmati a raggi X delle nanoparticelle delle batterie al lavoro, ma i filmati erano così ricchi di informazioni che comprendere i sottili dettagli di come funzionano le particelle era una vera sfida", ha affermato William Chueh, un associato di Stanford, professore, scienziato della facoltà SLAC e direttore dello SLAC-Stanford Battery Center, che ha co-condotto lo studio con il professor Martin Bazant del MIT.

"Ora possiamo estrarre informazioni che prima non erano disponibili", ha aggiunto Chueh, proseguendo. "Questo è il tipo di nozioni fondamentali e scientifiche di cui i nostri partner industriali [ndr, fra cui Toyota] hanno bisogno per sviluppare batterie migliori più velocemente".

Più in generale, hanno affermato i ricercatori, questo approccio alla scoperta della fisica dietro modelli complessi nelle immagini potrebbe persino fornire informazioni trasversali su altri tipi di sistemi chimici e biologici, come le cellule che si dividono in un embrione in via di sviluppo.

Le particelle della batteria oggetto dello studio sono costituite da litio-ferro-fosfato (ovvero le LFP) e stipate a miliardi negli elettrodi positivi di molte batterie agli ioni di litio, ciascuno rivestito con un sottile strato di carbonio al fine di migliorarne la conduttività elettrica.

Per osservare cosa succede all'interno della batteria mentre è in funzione, il team di Chueh ha progettato e realizzato batterie a celle minuscole e trasparenti, in cui i due elettrodi sono stati circondati da una soluzione elettrolitica piena di ioni di litio che si muovono liberamente.

Quando la batteria si scarica, gli ioni di litio fluiscono nell'elettrodo positivo LFP e si depositano all'interno delle sue nanoparticelle come spettatori che prendono posto in una sala cinema prima dell'inizio della proiezione, in una reazione chiamata intercalazione. Quando la batteria si carica, ritornano indietro e viaggiano verso l'elettrodo negativo opposto.

"Il fosfato di litio e ferro è un materiale importante per le batterie grazie al basso costo, alla buona sicurezza e all'uso di elementi abbondanti", ha affermato Brian Storey, direttore senior di Energia e materiali presso il Toyota Research Institute, che ha finanziato il lavoro presso SLAC e MIT . "Stiamo assistendo a un maggiore utilizzo dell'LFP nel mercato dei veicoli elettrici; il nostro studio è arrivato nel momento migliore per la ricerca e l'industria".

Chueh e Bazant hanno iniziato a collaborare otto anni fa; Bazant aveva già realizzato molti modelli matematici ad oggetto gli ioni di litio mentre si muovono dentro e fuori dalle particelle LFP, mentre Chueh aveva utilizzato un microscopio a raggi X avanzato presso l'Advanced Light Source del Lawrence Berkeley National Laboratory per realizzare filmati su scala nanometrica, con dettagli piccoli fino a miliardesimi di metro, delle particelle della batteria al lavoro.

Nel 2016, i loro gruppi di ricerca hanno pubblicato filmati rivoluzionari su scala nanometrica su come gli ioni di litio fluiscono dentro e fuori dalle singole nanoparticelle LFP.

Gli accademici dei tre Istituti superiori americani si sono uniti al Toyota Research Institute utilizzando l’apprendimento automatico per rianalizzare i filmati a raggi X, pixel per pixel, e scoprire nuovi dettagli fisici e chimici del ciclo della batteria. L'animazione ricreata al computer, basata sulle immagini realizzate nel 2016, mostra alcuni dei miliardi di nanoparticelle presenti negli elettrodi di una batteria agli ioni di litio che si caricano (da rosso a verde) e si scaricano (da verde a rosso) mentre gli ioni di litio fluiscono dentro e fuori di essi, e rivela quanto possa essere disomogeneo il processo all'interno di una singola particella.

Grazie ai finanziamenti del Toyota Research Institute, il team multi-accademico ha iniziato a utilizzare strumenti di apprendimento automatico sviluppati al MIT per accelerare notevolmente sia i test delle batterie sia il processo di vagliatura di molti possibili metodi di ricarica per trovare quelli che funzionano meglio. Hanno anche combinato l'apprendimento automatico convenzionale, che cerca modelli nei dati, con la conoscenza acquisita da esperimenti ed equazioni guidate dalla fisica per scoprire e spiegare un processo.

Nel loro ultimo studio, Chueh e Bazant hanno utilizzato un sottocampo dell'apprendimento automatico chiamato visione artificiale per estrarre informazioni più dettagliate da 62 filmati a raggi X su scala nanometrica realizzati nel 2016 su particelle LFP che si caricano o si scaricano. Ciascuna immagine fissa di quei film conteneva circa 490 pixel, la più piccola unità di informazione che può essere ottenuta da un singolo fotogramma, sia esso realizzato con la luce dei raggi X che colpisce un rilevatore o con la luce visibile che colpisce la fotocamera di uno smartphone. Ciò ha fornito loro circa 180.000 pixel di informazioni con cui e su cui lavorare.

Il team ha utilizzato quei 180.000 pixel per addestrare il proprio modello computazionale a produrre equazioni che descrivessero accuratamente come procedono le reazioni di inserimento del litio. Questo processo ha portato alla scoperta che i movimenti degli ioni all’interno delle particelle LFP corrispondevano strettamente alle previsioni delle simulazioni computerizzate di Bazant.

La nuova tecnica ha inoltre rivelato diversi fenomeni che prima non potevano essere osservati, comprese le variazioni nella velocità delle reazioni di inserimento del litio in diverse regioni di una singola nanoparticella LFP. "Ci sono regioni che sembrano essere veloci", ha spiegato Bazant, "e altre che sembrano essere lente".

La scoperta pratica più significativa dello studio – ovvero che le variazioni nello spessore del rivestimento di carbonio di una particella LFP controllano direttamente la velocità con cui gli ioni di litio fluiscono dentro e fuori – potrebbe portare a una carica e a una scarica più efficienti.

Ciò che gli scienziati hanno imparato da questo studio è che è l'interfaccia tra l'elettrolita liquido e i materiali solidi dell'elettrodo - dove la reazione di intercalazione e le variazioni nello spessore del rivestimento di carbonio delle particelle interagiscono in modi complessi - che controlla i processi della batteria.

"Ciò significa che il nostro focus dovrebbe davvero concentrarsi sulla progettazione di quell'interfaccia", ha affermato Bazant.

Storey ha aggiunto: "Questa pubblicazione è il culmine di sei anni di dedizione e collaborazione. Questa tecnica ci consente di sbloccare il funzionamento interno della batteria in un modo che prima non era possibile. Il nostro prossimo obiettivo è migliorare la progettazione delle batterie applicando questa nuova comprensione".