Molti veicoli elettrici sono alimentati da batterie che contengono cobalto, un metallo che comporta elevati costi finanziari, ambientali e sociali.
I ricercatori del MIT hanno ora progettato un materiale per batterie che potrebbe offrire un modo più sostenibile per alimentare le auto elettriche. La nuova batteria agli ioni di litio include un catodo a base di materiali organici, anziché di cobalto o nichel (un altro metallo spesso utilizzato nelle batterie agli ioni di litio).
In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che questo materiale, che potrebbe essere prodotto a un costo molto inferiore rispetto alle batterie contenenti cobalto, può condurre l’elettricità a velocità simili a quelle delle batterie al cobalto. La nuova batteria ha anche una capacità di stoccaggio comparabile e può essere ricaricata più velocemente delle batterie al cobalto, riferiscono i ricercatori.
"Penso che questo materiale potrebbe avere un grande impatto perché funziona davvero bene", afferma Mircea Dincă, il W.M. Keck Professore di Energia al MIT. "È già competitivo con le tecnologie dominanti e può far risparmiare molti costi, difficoltà e problemi ambientali legati all'estrazione dei metalli che attualmente vengono utilizzati nelle batterie."
Dincă è l'autore senior dello studio, pubblicato oggi (18 gennaio) sulla rivista ACS Central Science . Dottorato di ricerca di Tianyang Chen. '23 e Harish Banda, ex postdoc del MIT, sono gli autori principali dell'articolo. Altri autori includono Jiande Wang, un postdoc del MIT; Julius Oppenheim, uno studente laureato del MIT; e Alessandro Franceschi, ricercatore presso l'Università di Bologna.
La maggior parte delle auto elettriche sono alimentate da batterie agli ioni di litio, un tipo di batteria che si ricarica quando gli ioni di litio fluiscono da un elettrodo caricato positivamente, chiamato catodo, a un elettrodo negativo, chiamato anodo. Nella maggior parte delle batterie agli ioni di litio, il catodo contiene cobalto, un metallo che offre elevata stabilità e densità di energia.
Tuttavia, il cobalto presenta notevoli svantaggi. Essendo un metallo raro, il suo prezzo può variare notevolmente e gran parte dei depositi mondiali di cobalto si trovano in paesi politicamente instabili. L'estrazione del cobalto crea condizioni di lavoro pericolose e genera rifiuti tossici che contaminano il terreno, l'aria e l'acqua che circondano le miniere.
"Le batterie al cobalto possono immagazzinare molta energia e hanno tutte le caratteristiche che interessano alle persone in termini di prestazioni, ma hanno il problema di non essere ampiamente disponibili e il costo oscilla ampiamente con i prezzi delle materie prime. E, durante la transizione a una percentuale molto più elevata di veicoli elettrificati nel mercato consumer, diventerà sicuramente più costoso," afferma Dincă.
A causa dei numerosi inconvenienti del cobalto, sono state effettuate molte ricerche per cercare di sviluppare materiali alternativi per le batterie. Uno di questi materiali è il litio-ferro-fosfato (LFP), che alcuni produttori di automobili stanno iniziando a utilizzare nei veicoli elettrici. Sebbene sia ancora praticamente utile, l'LFP ha solo circa la metà della densità energetica delle batterie al cobalto e al nichel.
Un’altra opzione interessante sono i materiali organici, ma finora la maggior parte di questi materiali non è stata in grado di eguagliare la conduttività, la capacità di stoccaggio e la durata delle batterie contenenti cobalto. A causa della loro bassa conduttività, tali materiali in genere devono essere miscelati con leganti come i polimeri, che li aiutano a mantenere una rete conduttiva. Questi leganti, che costituiscono almeno il 50% del materiale complessivo, riducono la capacità di stoccaggio della batteria.
Circa sei anni fa, il laboratorio di Dincă ha iniziato a lavorare su un progetto, finanziato da Lamborghini, per sviluppare una batteria organica che potesse essere utilizzata per alimentare le auto elettriche. Mentre lavoravano su materiali porosi che erano in parte organici e in parte inorganici, Dincă e i suoi studenti si resero conto che un materiale completamente organico da loro realizzato sembrava poter essere un forte conduttore.
Questo materiale è costituito da molti strati di TAQ (bis-tetraamminobenzochinone), una piccola molecola organica che contiene tre anelli esagonali fusi. Questi strati possono estendersi verso l'esterno in ogni direzione, formando una struttura simile alla grafite. All'interno delle molecole ci sono gruppi chimici chiamati chinoni, che sono i serbatoi di elettroni, e ammine, che aiutano il materiale a formare forti legami idrogeno.
Questi legami idrogeno rendono il materiale altamente stabile e anche molto insolubile. Questa insolubilità è importante perché impedisce al materiale di dissolversi nell'elettrolito della batteria, come fanno alcuni materiali organici delle batterie, prolungandone così la durata.
"Uno dei principali metodi di degradazione dei materiali organici è che questi si dissolvono semplicemente nell'elettrolito della batteria e passano sull'altro lato della batteria, creando essenzialmente un cortocircuito. Se si rende il materiale completamente insolubile, il processo non si interrompe. verificarsi, quindi possiamo arrivare a oltre 2.000 cicli di ricarica con un degrado minimo", afferma Dincă.
I test su questo materiale hanno dimostrato che la sua conduttività e capacità di accumulo erano paragonabili a quelle delle tradizionali batterie contenenti cobalto. Inoltre, le batterie con catodo TAQ possono essere caricate e scaricate più velocemente rispetto alle batterie esistenti, il che potrebbe accelerare la velocità di ricarica dei veicoli elettrici.
Per stabilizzare il materiale organico e aumentare la sua capacità di aderire al collettore di corrente della batteria, che è in rame o alluminio, i ricercatori hanno aggiunto materiali di riempimento come cellulosa e gomma. Questi riempitivi costituiscono meno di un decimo del composito complessivo del catodo, quindi non riducono in modo significativo la capacità di stoccaggio della batteria.
Questi riempitivi prolungano inoltre la durata del catodo della batteria impedendo che si rompa quando gli ioni di litio fluiscono nel catodo durante la ricarica della batteria.
I materiali primari necessari per produrre questo tipo di catodo sono un precursore del chinone e un precursore dell'ammina, che sono già disponibili in commercio e prodotti in grandi quantità come prodotti chimici di base. I ricercatori stimano che il costo materiale per l'assemblaggio di queste batterie organiche potrebbe essere compreso tra un terzo e la metà del costo delle batterie al cobalto.
Lamborghini ha concesso in licenza il brevetto sulla tecnologia. Il laboratorio di Dincă prevede di continuare a sviluppare materiali alternativi per le batterie e sta esplorando la possibile sostituzione del litio con sodio o magnesio, che sono più economici e più abbondanti del litio.
Ulteriori informazioni: Tianyang Chen et al, Un catodo organico a strati per batterie agli ioni di litio ad alta energia, a ricarica rapida e di lunga durata, ACS Central Science (2024). DOI:10.1021/acscentsci.3c01478
Informazioni sul giornale: ACS Scienza Centrale
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
