Rilascio di ossigeno dai materiali della batteria che può causare fughe termiche. Credito:Takashi Nakamura
Un gruppo di ricerca ha prodotto nuove intuizioni sul rilascio di ossigeno nelle batterie agli ioni di litio, aprendo la strada a batterie ad alta densità di energia più robuste e più sicure.
Le batterie di nuova generazione che immagazzinano più energia sono fondamentali se la società vuole raggiungere gli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite e realizzare la neutralità del carbonio. Però, maggiore è la densità di energia, maggiore è la probabilità di fuga termica, il surriscaldamento delle batterie che a volte può provocare l'esplosione di una batteria.
L'ossigeno rilasciato dal materiale catodico attivo è un innesco per la fuga termica, tuttavia la nostra conoscenza di questo processo è insufficiente.
I ricercatori dell'Università di Tohoku e del Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) hanno studiato il comportamento del rilascio di ossigeno e hanno messo in relazione i cambiamenti strutturali del materiale del catodo per le batterie agli ioni di litio LiNi 1/3 Co 1/3 mn 1/3 oh 2 (NCM111). NCM111 ha agito come materiale modello per batterie a base di ossido attraverso la titolazione coulometrica e le diffrazioni dei raggi X.
I ricercatori hanno scoperto che NCM111 accetta il 5% in moli del rilascio di ossigeno senza decomporsi e che il rilascio di ossigeno ha indotto un disordine strutturale, lo scambio di Li e Ni.
Quando l'ossigeno viene rilasciato, riduce i metalli di transizione (Ni, Co e Mn in NCM111), riducendo la loro capacità di mantenere una carica equilibrata nei materiali.
Per valutare questo, il gruppo di ricerca ha utilizzato la spettroscopia di assorbimento dei raggi X molli presso il BL27SU SPring-8, un impianto di radiazione di sincrotrone su larga scala gestito da JASRI in Giappone.
Hanno osservato Ni . selettivo 3+ riduzione di NCM111 nella fase iniziale del rilascio di ossigeno. Al termine della riduzione del Ni, Co 3+ diminuito, mentre Mn 4+ è rimasto invariato durante il 5% in moli del rilascio di ossigeno.
"I comportamenti di riduzione suggeriscono fortemente che NI ad alta valenza (Ni 3+ ) migliora significativamente il rilascio di ossigeno, "ha detto Takashi Nakamura, coautore del paper.
Per verificare questa ipotesi, Nakamura e i suoi colleghi hanno preparato NCM111 modificato contenente più Ni 3+ rispetto all'originale NCM111. Con loro sorpresa, hanno scoperto che l'NCM111 mostrava un rilascio di ossigeno molto più grave del previsto.
Basato su questo, il gruppo di ricerca ha proposto che i metalli di transizione ad alta valenza destabilizzino l'ossigeno reticolare nei materiali delle batterie a base di ossido.
"I nostri risultati contribuiranno all'ulteriore sviluppo di batterie ad alta densità di energia e robuste di nuova generazione composte da ossidi di metalli di transizione, " disse Nakamura.
