Il ruolo della spettroscopia di assorbimento di raggi X nello sviluppo di materiali per batterie al litio

Il ruolo della spettroscopia di assorbimento di raggi X nello sviluppo di materiali per batterie al litio Marco Giorgetti, Mario Berrettoni Dipartimento di Chimica Fisica ed Inorganica, Università di Bologna, Viale del Risorgimento 4, 40136 Bologna, email marco.giorgetti@unibo.it telefono 051 2093666 fax 051 2093690 Una tra le più interessanti classi di batterie moderne [1] è rappresentata dalle batterie ad intercalazione, dove ioni di piccole dimensioni (quali il litio) sono inseriti, in maniera efficiente e reversibile, in un opportuno materiale. In questo panorama, una sorgente di litio funge da anodo e il materiale ospitante da catodo. La scelta del materiale ospitante caratterizza in maniera determinante il prodotto finito, ossia le proprietà elettrochimiche della batteria stessa. Gli ossidi dei metalli di transizione sono frequentemente utilizzati come catodi per batterie ricaricabili al litio visto le loro particolari proprietà strutturali, a cui si aggiungono bassi costi e relativa abbondanza nella crosta terreste. Generalmente il processo di intercalazione di litio (che avviene durante la scarica della batteria) può trasformare il materiale o avvenire senza drastici variazioni della struttura ospitante. Durante la fase di de-intercalazione (o rilascio degli ioni litio) il materiale può tornare ad essere una copia identica del materiale di partenza, e quindi il processo è detto reversibile. In caso contrario, il materiale intercala e rilascia ioni litio in maniera irreversibile. In questo contesto si inserisce la spettroscopia di assorbimento di raggi X. La spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS) è una tecnica che indaga la struttura locale attorno ad un atomo selezionato, detto fotoassorbitore, e può essere applicata a materiali disordinati, amorfi e cristallini [2-4], fornendo informazioni in un intervallo di 4-5 Å attorno all’atomo selezionato. In questa presentazione verrà mostrato come l’utilizzo di questa tecnica possa essere utilizzato per lo studio e lo sviluppo di materiali catodici per batterie secondarie al litio. In particolare verranno presentati come esempi esplicativi l’applicazione agli ossidi di vanadio come materiale catodico per batterie secondarie. Lo studio verterà sia sui materiali di partenza, che sulla batteria stessa in fase di funzionamento, tramite degli studi in-situ. Lo studio combinato della porzione elettronica (XANES) e strutturale (EXAFS) dello spettro di assorbimento permette l’estrazione di informazioni relative alla reversibilità elettronica e strutturale stessa dei sistemi in esame, ponendo le basi per il la comprensione dell’elettrochimica della batteria stessa. 1. D. Linden, T.B. Reddy, “Handbook of batteries”, McGraw-Hill Professional; 3rd edition, 2001. 2. M. Giorgetti, S. Passerini, W. H. Smyrl, M. Berrettoni Inorg. Chem., 2000, 39 1514. 3. E.Frabetti, G.A. Deluga, W. H. Smyrl, M. Giorgetti, M. Berrettoni J. Phys. Chem. B. 2004, 108, 3765. 4. M. Giorgetti, I. Ascone, M. Berrettoni, P. Conti, S. Zamponi, R. Marassi, J. Biol. Inorg. Chem., 2000, 5, 156