La dott.ssa Jennifer Ludwig dell'Università tecnica di Monaco (TUM) ha sviluppato un processo, che permette un veloce, semplice, e produzione conveniente di cristalli di fosfato di litio cobalto nanocristallino. Rispetto al litio ferro fosfato standard, questo materiale migliora la densità energetica delle batterie agli ioni di litio da circa 600 a 800 wattora per chilogrammo. Credito:Andreas Battenberg / TUM
La potenza in movimento è richiesta:maggiore è la capacità della batteria, maggiore è la gamma di auto elettriche e maggiore è l'autonomia di telefoni cellulari e laptop. La dott.ssa Jennifer Ludwig dell'Università tecnica di Monaco (TUM) ha sviluppato un processo che consente un rapido, semplice, e la produzione economicamente vantaggiosa del promettente materiale catodico litio cobalto fosfato di alta qualità. La chimica è stata insignita dell'Evonik Research Prize per il suo lavoro.
La speranza è rosa:la polvere che Jennifer Ludwig versa con cura in una ciotola di vetro e che si illumina di rosa alla luce della lampada da laboratorio ha il potenziale per migliorare significativamente le prestazioni delle batterie future. "Il fosfato di litio-cobalto può immagazzinare sostanzialmente più energia rispetto ai materiali catodici convenzionali, " spiega il chimico.
Lavorando nel gruppo di Tom Nilges, capo della Cattedra di Sintesi e Caratterizzazione di Materiali Innovativi, il chimico ha messo a punto un procedimento per produrre rapidamente la polvere rosa, con quantità minime di energia e nella massima qualità.
I ricercatori delle batterie hanno preso in considerazione da tempo il fosfato di cobalto di litio un materiale del futuro. Funziona a tensioni più elevate rispetto al fosfato di ferro di litio tradizionalmente impiegato e quindi, raggiunge una densità di energia più elevata - 800 wattora per chilogrammo invece di poco meno di 600 wattora.
Processo precedente:costoso e ad alta intensità energetica
In precedenza, però, la produzione del promettente materiale del catodo ad alta tensione ha richiesto un processo molto complesso, processo ad alta intensità energetica e inefficiente in condizioni difficili con temperature di 800 °C. "E i cristalli che si formano in queste condizioni variano di dimensioni e devono essere macinati in polvere nanocristallina in un secondo, fase di produzione ad alta intensità energetica, " riferisce Ludovico.
La dott.ssa Jennifer Ludwig dell'Università tecnica di Monaco di Baviera (TUM) con campioni degli esperimenti di ottimizzazione. Alla fine questi esperimenti hanno portato a un materiale catodico ad alta tensione, quale, rispetto al litio ferro fosfato standard, migliora la densità energetica delle batterie agli ioni di litio da circa 600 a 800 wattora per chilogrammo. Credito:Andreas Battenberg / TUM
Per di più, i cristalli risultanti mostrano una sufficiente conduttività ionica in una sola direzione. Su gran parte della superficie, la reazione chimica tra il materiale dell'elettrodo e l'elettrolita nelle batterie procede molto lentamente.
Cristalli su misura
Il processo di sintesi a microonde sviluppato da Jennifer Ludwig risolve tutti questi problemi in una volta:per ottenere il fosfato di cobalto di litio di alta qualità richiede solo un forno a microonde e 30 minuti di tempo.
I reagenti vengono posti in un contenitore di teflon insieme ad un solvente e vengono quindi riscaldati. Solo 600 W sono sufficienti per raggiungere i 250 °C necessari per stimolare la formazione dei cristalli.
Le piastrine piatte create nel processo misurano meno di un micrometro e sono spesse solo poche centinaia di nanometri, con l'asse di massima conducibilità orientato verso la superficie. "Questa forma garantisce migliori prestazioni elettrochimiche perché gli ioni di litio devono spostarsi solo per brevi distanze all'interno dei cristalli, " spiega Ludovico.
Immagine al microscopio elettronico dei cristalli di fosfato di litio cobalto a forma di piastrine. Poiché i cristalli hanno uno spessore di poche centinaia di nanometri e l'asse di massima conducibilità è orientato verso la superficie, gli ioni di litio devono spostarsi solo per brevi distanze all'interno del cristallo. Credito:Katia Rodewald / TUM
Dirigere la reazione
La chimica è riuscita a risolvere anche un altro problema nel corso dei suoi esperimenti:a temperature superiori a 200 °C e ad alta pressione, invece del desiderato litio-cobalto fosfato, finora sconosciuto, occasionalmente si forma un composto complesso di idrossido di cobalto idrogeno fosfato.
Jennifer Ludwig è riuscita a chiarire il meccanismo di reazione, isolare il composto e determinarne la struttura e le proprietà. Poiché il nuovo composto non è adatto come materiale per batterie, ha modificato la reazione in modo che venga prodotto solo il fosfato di cobalto di litio desiderato.
"Con questo nuovo processo produttivo, ora possiamo creare ad alte prestazioni, cristalli di fosfato di litio cobalto a forma di piastrine con proprietà su misura in alta qualità, "dice il professor Nilges. "Così, è stato affrontato un ulteriore ostacolo sulla strada per i nuovi materiali ad alta tensione".
