I ricercatori hanno identificato un potenziale nuovo meccanismo di degrado per le batterie dei veicoli elettrici, un passo fondamentale nella progettazione di metodi efficaci per migliorare la durata delle batterie.

I ricercatori, dalle Università di Cambridge e Liverpool, e la Sorgente di Luce Diamante, hanno identificato uno dei motivi per cui i materiali delle batterie "ricchi di nichel" all'avanguardia si affaticano, e non possono più essere caricati completamente dopo un uso prolungato.

I loro risultati, riportato sul giornale Materiali della natura , aprire la porta allo sviluppo di nuove strategie per migliorare la durata della batteria.

Nell'ambito degli sforzi per combattere il cambiamento climatico, molti paesi hanno annunciato piani ambiziosi per sostituire i veicoli a benzina o diesel con veicoli elettrici (VE) entro il 2050 o prima.

È probabile che le batterie agli ioni di litio utilizzate dai veicoli elettrici domineranno il mercato dei veicoli elettrici per il prossimo futuro, e gli ossidi di metalli di transizione al litio ricchi di nichel sono la scelta all'avanguardia per l'elettrodo positivo, o catodo, in queste batterie.

Attualmente, la maggior parte delle batterie per veicoli elettrici contiene quantità significative di cobalto nei materiali del catodo. Però, il cobalto può causare gravi danni ambientali, così i ricercatori hanno cercato di sostituirlo con il nichel, che offre anche capacità pratiche più elevate rispetto al cobalto. Però, i materiali ricchi di nichel si degradano molto più velocemente della tecnologia esistente e richiedono ulteriori studi per essere commercialmente fattibili per applicazioni come i veicoli elettrici.

"A differenza dell'elettronica di consumo che in genere ha una durata di pochi anni, ci si aspetta che i veicoli durino molto più a lungo e quindi è essenziale aumentare la durata di una batteria EV, " ha detto il dottor Chao Xu del Dipartimento di Chimica di Cambridge, e il primo autore dell'articolo. "Ecco perché un completo, una comprensione approfondita di come funzionano e perché falliscono per lungo tempo è fondamentale per migliorare le loro prestazioni."

Per monitorare i cambiamenti dei materiali della batteria in tempo reale durante diversi mesi di test della batteria, i ricercatori hanno utilizzato la tecnologia laser per progettare una nuova pila a bottone, noto anche come cella a bottone. "Questo design offre una nuova possibilità di studiare i meccanismi di degrado su un lungo periodo di ciclo per molti tipi di batterie, " disse Xu. Durante lo studio, i ricercatori hanno scoperto che una parte del materiale del catodo si affatica dopo ripetute cariche e scariche della cella, e la quantità di materiale affaticato aumenta man mano che il ciclo continua.

Xu e i suoi colleghi hanno approfondito la struttura del materiale su scala atomica per cercare risposte sul motivo per cui si verifica tale processo di affaticamento. "Per funzionare pienamente, i materiali della batteria devono espandersi e ridursi mentre gli ioni di litio si muovono dentro e fuori, " disse Xu. "Tuttavia, dopo un uso prolungato, abbiamo scoperto che gli atomi sulla superficie del materiale si erano riorganizzati per formare nuove strutture che non sono più in grado di immagazzinare energia".

Quel che è peggio è che queste aree di superficie ricostruita apparentemente fungono da picchetti che fissano il resto del materiale in posizione e gli impediscono la contrazione necessaria per raggiungere lo stato di piena carica. Di conseguenza, il litio rimane bloccato nel reticolo e questo materiale affaticato può contenere meno carica.

Con questa conoscenza, i ricercatori sono ora alla ricerca di contromisure efficaci, come rivestimenti protettivi e additivi elettrolitici funzionali, per mitigare questo processo di degrado e prolungare la durata di tali batterie.