Una promettente tecnologia in fase di sviluppo da parte dei principali produttori di batterie è diventata ancora più attraente, grazie ai ricercatori che hanno esaminato senza precedenti una barriera chiave per migliorare, batterie agli ioni di litio più durature.

Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti riportano nuove scoperte su come realizzare un cristallo singolo, catodo ricco di nichel più resistente ed efficiente. Il lavoro della squadra sul catodo, un componente critico nelle batterie agli ioni di litio che sono comuni nei veicoli elettrici oggi, appare nel numero dell'11 dicembre della rivista Scienza .

I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per creare batterie che forniscano più energia, durano più a lungo e sono meno costosi da produrre. Le migliori batterie agli ioni di litio sono fondamentali per una più ampia adozione dei veicoli elettrici.

Le sfide sono tante. L'aspetto semplice di una batteria smentisce la sua complessità, e controllare le complesse interazioni molecolari all'interno è essenziale per il corretto funzionamento del dispositivo. Reazioni chimiche costanti prendono il loro pedaggio, limitare la durata di una batteria e influenzarne le dimensioni, costo e altri fattori.

La promessa di un catodo ricco di nichel:maggiore capacità energetica

Gli scienziati stanno lavorando su come immagazzinare più energia nei materiali del catodo aumentando il contenuto di nichel. Il nichel è sul tavolo da disegno dei produttori di batterie agli ioni di litio in gran parte a causa del suo costo relativamente basso, ampia disponibilità e bassa tossicità rispetto ad altri materiali chiave per batterie, come il cobalto.

"I materiali catodici ricchi di nichel hanno un reale potenziale per immagazzinare più energia, " ha detto Jie Xiao, autore corrispondente dell'articolo e capogruppo del programma di ricerca sulle batterie del PNNL. "Ma la distribuzione su larga scala è stata una sfida".

Mentre il nichel mantiene grandi promesse, in quantità elevate può creare problemi alle batterie. Più nichel è nel reticolo del materiale, meno stabile è il catodo. L'alto contenuto di nichel può aumentare le reazioni collaterali indesiderate, danneggiando il materiale e rendendo molto difficile lo stoccaggio e la manipolazione.

Sfruttare tutti i vantaggi di più nichel riducendo al minimo gli svantaggi rappresenta una sfida.

Attualmente il catodo ricco di nichel più comune è sotto forma di policristalli, aggregati di molti nanocristalli in una particella più grande. Questi portano vantaggi per immagazzinare e scaricare energia più velocemente. Ma i policristalli a volte si rompono durante ripetuti cicli. Ciò può lasciare gran parte della superficie esposta all'elettrolito, accelerando le reazioni chimiche indesiderate indotte dall'alto contenuto di nichel e generando gas. Questo danno irreversibile si traduce in una batteria con un catodo ricco di nichel che si guasta più velocemente e solleva problemi di sicurezza.

Di cristalli singoli, cubetti di ghiaccio e batterie agli ioni di litio

Scienziati come Xiao stanno cercando di eludere molti di questi problemi creando un cristallo singolo, catodo ricco di nichel. I ricercatori del PNNL hanno sviluppato un processo per far crescere cristalli ad alte prestazioni in sali fusi:cloruro di sodio, sale da tavola comune—ad alta temperatura.

Qual è il vantaggio di un singolo cristallo rispetto a un materiale policristallino? Pensa a mantenere il cibo fresco durante il campeggio. Un blocco di ghiaccio solido si scioglie molto più lentamente della stessa quantità di ghiaccio che arriva in piccoli cubetti; il blocco di ghiaccio è più resistente ai danni da temperature più elevate e altre forze esterne.

È simile ai catodi ricchi di nichel:un aggregato di piccoli cristalli è molto più vulnerabile all'ambiente circostante rispetto a un singolo cristallo in determinate condizioni, soprattutto quando c'è un alto contenuto di nichel, poiché il nichel è incline a indurre reazioni chimiche indesiderate. Col tempo, con ripetuti cicli di batteria, gli aggregati vengono infine polverizzati, rovinare la struttura del catodo. Non è tanto un problema quando la quantità di nichel nel catodo è inferiore; in tali condizioni, un catodo policristallino contenente nichel offre elevata potenza e stabilità. Il problema si fa più pronunciato, anche se, quando gli scienziati creano un catodo con più nichel, un catodo veramente ricco di nichel.

Microfessure del catodo reversibili, prevenibile

Il team PNNL ha scoperto una ragione per cui un cristallo singolo, il catodo ricco di nichel si rompe:è dovuto a un processo noto come scorrimento dei cristalli, dove un cristallo comincia a rompersi, portando a microcricche. Hanno scoperto che lo scorrimento è parzialmente reversibile in determinate condizioni e hanno proposto modi per evitare del tutto il danno.

"Con la nuova comprensione fondamentale, saremo in grado di prevenire lo scivolamento e le microcricche nel monocristallo. Questo è diverso dal danno nella forma policristallina, dove le particelle vengono polverizzate in un processo non reversibile, " disse Xiao.

Si scopre che i movimenti di scorrimento all'interno degli strati reticolari del cristallo sono alla base delle microfratture. Gli strati si muovono avanti e indietro, come le carte in un mazzo mentre vengono mescolate. Lo scorrimento si verifica quando la batteria si carica e si scarica:gli ioni di litio partono e ritornano al catodo, tendendo il cristallo sempre leggermente ogni volta. Per molti cicli, lo scorrimento ripetuto provoca microfratture.

Il team di Xiao ha appreso che il processo può parzialmente invertire se stesso attraverso le azioni naturali degli atomi di litio, che creano sollecitazioni in una direzione quando gli ioni entrano nel reticolo cristallino e nella direzione opposta quando ne escono. Ma le due azioni non si annullano completamente, e nel tempo, si verificheranno microcricche. Ecco perché i singoli cristalli alla fine falliscono, anche se non si scompongono in piccole particelle come le loro controparti policristalline.

Il team sta perseguendo diverse strategie per prevenire lo scivolamento. I ricercatori hanno scoperto che il funzionamento della batteria a una tensione comune, circa 4,2 volt, riduce al minimo i danni pur rimanendo all'interno della normale gamma di batterie agli ioni di litio per veicoli elettrici. Il team prevede anche che mantenere la dimensione di un singolo cristallo al di sotto di 3,5 micron potrebbe evitare danni anche a tensioni più elevate. E il team sta esplorando modi per stabilizzare il reticolo cristallino per accogliere meglio l'arrivo e la partenza degli ioni di litio.

Il team stima che il cristallo singolo, Il catodo ricco di nichel racchiude almeno il 25% in più di energia rispetto alle batterie agli ioni di litio utilizzate nei veicoli elettrici di oggi.

Ora, I ricercatori del PNNL guidati da Xiao stanno lavorando con Albemarle Corporation, un'importante azienda produttrice di prodotti chimici speciali e uno dei principali produttori mondiali di litio per batterie di veicoli elettrici. In una collaborazione finanziata dal DOE, il team studierà l'impatto dei sali di litio avanzati sulle prestazioni dei materiali catodici ricchi di nichel a cristallo singolo, dimostrando il processo su scala di chilogrammi.