Un team di ricerca della Northwestern University ha trovato il modo di stabilizzare una nuova batteria con una capacità di carica record. Basato su un catodo di ossido di litio-manganese, la svolta potrebbe consentire agli smartphone e alle automobili alimentate a batteria di durare più del doppio tra una ricarica e l'altra.

"Questo elettrodo della batteria ha realizzato una delle capacità più elevate mai riportate per tutti gli elettrodi a base di ossido di metallo di transizione. È più del doppio della capacità dei materiali attualmente presenti nel telefono cellulare o nel laptop, " ha detto Christopher Wolverton, il Jerome B. Cohen Professor di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern, che ha condotto lo studio. "Questo tipo di alta capacità rappresenterebbe un grande progresso verso l'obiettivo delle batterie agli ioni di litio per i veicoli elettrici".

Lo studio è stato pubblicato online il 14 maggio in Progressi scientifici .

Le batterie agli ioni di litio funzionano spostando gli ioni di litio avanti e indietro tra l'anodo e il catodo. Il catodo è costituito da un composto che comprende ioni di litio, un metallo di transizione e ossigeno. Il metallo di transizione, tipicamente cobalto, immagazzina e rilascia efficacemente energia elettrica quando gli ioni di litio si spostano dall'anodo al catodo e viceversa. La capacità del catodo è quindi limitata dal numero di elettroni nel metallo di transizione che possono partecipare alla reazione.

Un gruppo di ricerca francese ha segnalato per la prima volta il composto di ossido di litio-manganese di grande capacità nel 2016. Sostituendo il tradizionale cobalto con manganese meno costoso, il team ha sviluppato un elettrodo più economico con più del doppio della capacità. Ma non era senza le sue sfide. Le prestazioni della batteria sono diminuite in modo così significativo nei primi due cicli che i ricercatori non l'hanno considerata commercialmente valida. Inoltre, non hanno compreso appieno l'origine chimica della grande capacità o della degradazione.

Dopo aver composto un dettagliato, immagine atomo per atomo del catodo, Il team di Wolverton ha scoperto il motivo dell'elevata capacità del materiale:costringe l'ossigeno a partecipare al processo di reazione. Usando l'ossigeno, oltre al metallo di transizione, per immagazzinare e rilasciare energia elettrica, la batteria ha una maggiore capacità di immagazzinare e utilizzare più litio.

Prossimo, il team della Northwestern si è concentrato sulla stabilizzazione della batteria per prevenirne il rapido degrado.

"Armati della conoscenza del processo di ricarica, abbiamo usato calcoli ad alto rendimento per scansionare la tavola periodica per trovare nuovi modi per legare questo composto con altri elementi che potrebbero migliorare le prestazioni della batteria, " disse Zhenpeng Yao, co-primo autore dell'articolo e un ex dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Wolverton.

I calcoli hanno individuato due elementi:cromo e vanadio. Il team prevede che la miscelazione di entrambi gli elementi con l'ossido di litio-manganese produrrà composti stabili che manterranno l'elevata capacità senza precedenti del catodo. Prossimo, Wolverton e i suoi collaboratori testeranno sperimentalmente questi composti teorici in laboratorio.