La batteria agli ioni di litio di oggi è stata inventata tanto tempo fa, non ci sono molte più efficienze da spremere. Ora i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia riportano importanti progressi nei catodi realizzati con i cosiddetti materiali "disordinati", un promettente nuovo tipo di batteria al litio.

In un paio di articoli pubblicati questo mese in Comunicazioni sulla natura e Lettere di revisione fisica ( PRL ), un team di scienziati guidati da Gerbrand Ceder ha escogitato una serie di regole per creare nuovi materiali disordinati, un processo che in precedenza era stato guidato da tentativi ed errori. Hanno anche trovato un modo per incorporare il fluoro, che rende il materiale sia più stabile che di maggiore capacità.

"Questa sembra davvero essere una nuova direzione interessante per realizzare catodi ad alta densità di energia, "disse Cedro, uno scienziato senior della facoltà presso il Berkeley Lab che ha anche un appuntamento presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali della UC Berkeley. "È notevole che tutti i sali di roccia disordinati che le persone hanno inventato finora abbiano una capacità della batteria molto elevata. Nel documento PRL diamo una linea guida su come produrre questi materiali in modo più sistematico".

I benefici del disordine

Il materiale del catodo nelle batterie al litio è tipicamente "ordinato, " significa che gli atomi di litio e metallo di transizione sono disposti in strati ordinati, permettendo al litio di entrare e uscire dagli strati. Alcuni anni fa, Il gruppo di Ceder ha scoperto che alcuni tipi di materiale disordinato potrebbero immagazzinare ancora più litio, dando alle batterie una maggiore capacità.

L'autore principale del documento PRL, "L'origine della struttura elettronica del disturbo cationico negli ossidi di metalli di transizione, " è Alessandro Urbano, un borsista post-dottorato del Berkeley Lab.

"Nonostante le loro proprietà attraenti, la scoperta di nuovi materiali disordinati è stata principalmente guidata da tentativi ed errori e dall'affidarsi all'intuizione umana, "Urban ha detto. "Ora abbiamo per la prima volta identificato un semplice criterio di progettazione per prevedere nuove composizioni disordinate. La nuova comprensione stabilisce una relazione tra le specie chimiche, distorsioni locali della struttura cristallina, e la tendenza a formare fasi disordinate."

L'altro vantaggio dell'utilizzo di materiali disordinati è la capacità di evitare l'uso di cobalto, una risorsa limitata, con più della metà dell'offerta mondiale esistente in paesi politicamente instabili. Passando a salgemma disordinato, i progettisti di batterie potrebbero essere liberi di utilizzare una gamma più ampia di prodotti chimici. Per esempio, materiali disordinati sono stati realizzati utilizzando cromo, titanio, e molibdeno.

"Vogliamo la possibilità di avere più libertà compositiva, così possiamo regolare altri parametri, " Ha detto Ceder. "Ci sono così tante proprietà da ottimizzare - la tensione, la stabilità a lungo termine, se è facile da sintetizzare, c'è così tanto da fare per portare un materiale per batterie a una fase commerciale. Ora abbiamo una ricetta su come realizzare questi materiali".

Come e perché fluorurare le batterie

Un altro importante progresso nelle batterie agli ioni di litio è riportato nel Comunicazioni sulla natura carta, "Mitigare la perdita di ossigeno per migliorare le prestazioni ciclistiche di materiali catodici disordinati da cationi ad alta capacità, " che mostra che i materiali disordinati possono essere fluorurati, a differenza di altri materiali per batterie. La fluorurazione conferisce due vantaggi:consente una maggiore capacità e rende il materiale più stabile. In una batteria, la maggiore stabilità si tradurrebbe in un dispositivo con una lunga vita di ciclo e che ha meno probabilità di prendere fuoco.

L'autore principale del documento, Jinhyuk Lee, ex ricercatore del Berkeley Lab, ha lavorato con gli scienziati dell'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, una sorgente di raggi X per la ricerca scientifica, per condurre esperimenti in situ. "L'ALS è stato davvero importante per capire il meccanismo con cui otteniamo una maggiore capacità, " Ha detto Ceder. "La cosa veramente interessante è che puoi guardare la batteria mentre è in funzione, e osserviamo la struttura elettronica dei catodi. Così impari come si carica e scarica, dove vanno gli elettroni, che è un aspetto cruciale della conservazione della carica."

Gli scienziati della SLA Shawn Sallis e Wanli Yang sono coautori, così come Bryan McCloskey del Berkeley Lab. "Il suo gruppo è stato fondamentale nel dimostrare che questi materiali sono più stabili e non perdono ossigeno, " Disse Cedro.

Ora che hanno dimostrato il concetto, Ceder prevede di proseguire cercando di aggiungere ancora più fluoro ai materiali.

"I nuovi materiali catodici sono la direzione più calda nelle batterie agli ioni di litio, " Ha detto Ceder. "Il campo è un po' bloccato. Per ottenere ulteriori miglioramenti nell'accumulo di energia ci sono solo poche direzioni da percorrere. Uno è batterie a stato solido, e l'altro è continuare a migliorare la densità energetica dei materiali degli elettrodi. Le due cose non si escludono a vicenda. Questa linea di ricerca non è sicuramente ancora esaurita".