Le batterie al litio utilizzano oltre il 50% di tutto il cobalto prodotto nel mondo. Queste batterie sono nel tuo cellulare, laptop e forse anche la tua auto. Circa il 50 per cento del cobalto mondiale proviene dal Congo, dove è in gran parte estratto a mano, in alcuni casi da bambini. Ma ora, un gruppo di ricerca guidato da scienziati dell'Università della California, Berkeley, ha aperto la porta all'utilizzo di altri metalli nelle batterie a base di litio, e hanno costruito catodi con il 50% in più di capacità di immagazzinamento del litio rispetto ai materiali convenzionali.

"Abbiamo aperto un nuovo spazio chimico per la tecnologia delle batterie, ", ha affermato l'autore senior Gerbrand Ceder, professore nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali a Berkeley. "Per la prima volta abbiamo un elemento davvero economico che può fare molto scambio di elettroni nelle batterie".

Lo studio sarà pubblicato nell'edizione del 12 aprile della rivista Natura . Il lavoro è stato una collaborazione tra scienziati dell'UC Berkeley, Laboratorio di Berkeley, Laboratorio Nazionale Argonne, MIT e UC Santa Cruz.

Nelle odierne batterie a base di litio, gli ioni di litio sono immagazzinati nei catodi (l'elettrodo caricato negativamente), che sono strutture stratificate. Il cobalto è fondamentale per mantenere questa struttura a strati. Quando una batteria è carica, gli ioni di litio vengono tirati dal catodo nell'altro lato della cella della batteria, l'anodo. L'assenza di litio nel catodo lascia molto spazio. La maggior parte degli ioni metallici si riverserebbe in quello spazio, che farebbe perdere al catodo la sua struttura. Ma il cobalto è uno dei pochi elementi che non si muove, rendendolo fondamentale per l'industria delle batterie.

Nel 2014, Il laboratorio di Ceder ha scoperto un modo in cui i catodi possono mantenere un'elevata densità di energia senza questi strati, un concetto chiamato salgemma disordinato. Il nuovo studio mostra come il manganese possa funzionare all'interno di questo concetto, che è un passo promettente per allontanarsi dalla dipendenza dal cobalto perché il manganese si trova nello sporco, rendendolo un elemento economico.

"Per affrontare la questione delle risorse del cobalto, devi allontanarti da questa stratificazione nei catodi, " Ha detto Ceder. "Il disordine dei catodi ci ha permesso di giocare con molto di più della tavola periodica".

Nel nuovo studio, Il laboratorio di Ceder mostra come le nuove tecnologie possono essere utilizzate per ottenere molta capacità da un catodo. Utilizzando un processo chiamato drogaggio del fluoro, gli scienziati hanno incorporato una grande quantità di manganese nel catodo. Avere più ioni manganese con la carica adeguata consente ai catodi di contenere più ioni di litio, aumentando così la capacità della batteria.

Altri gruppi di ricerca hanno tentato di drogare i catodi con fluoro, ma non hanno avuto successo. Ceder afferma che il lavoro del suo laboratorio sulle strutture disordinate è stata una grande chiave del loro successo.

Le prestazioni del catodo sono misurate in energia per unità di peso, chiamati wattora per chilogrammo. I catodi di manganese disordinati si avvicinavano a 1, 000 wattora per chilogrammo. I tipici catodi agli ioni di litio sono nell'intervallo 500-700 wattora per chilogrammo.

"Nel mondo delle batterie, questo è un enorme miglioramento rispetto ai catodi convenzionali, " ha detto l'autore principale Jinhyuk Lee, che era un borsista post-dottorato presso il laboratorio di Ceder durante lo studio, ed è ora un borsista post-dottorato al MIT.

La tecnologia deve essere ampliata e testata di più per vedere se può essere utilizzata in applicazioni come laptop o veicoli elettrici. Ma Ceder dice che questa tecnologia sia effettivamente o meno all'interno di una batteria è irrilevante; i ricercatori hanno aperto nuove possibilità per la progettazione di catodi, che è ancora più importante.

"Puoi praticamente usare qualsiasi elemento nella tavola periodica ora perché abbiamo dimostrato che i catodi non devono essere stratificati, " Ha detto Ceder. "Improvvisamente abbiamo molta più libertà chimica, e penso che sia qui che si trova la vera eccitazione perché ora possiamo fare l'esplorazione di nuovi catodi".