Lavorando con i ricercatori di quattro laboratori nazionali statunitensi, Huolin Xin, professore di fisica e astronomia dell'UCI, ha trovato un modo per fabbricare batterie agli ioni di litio senza utilizzare il cobalto, un minerale raro e costoso estratto in condizioni disumane nell'Africa centrale. Credito:Steve Zylius / UCI
I ricercatori dell'Università della California, Irvine e quattro laboratori nazionali hanno escogitato un modo per realizzare catodi per batterie agli ioni di litio senza utilizzare il cobalto, un minerale afflitto dalla volatilità dei prezzi e da complicazioni geopolitiche.
In un articolo pubblicato oggi su Natura , gli scienziati descrivono come hanno superato le instabilità termiche e chimico-meccaniche dei catodi composti sostanzialmente da nichel, un comune sostituto del cobalto, mescolando diversi altri elementi metallici.
"Attraverso una tecnica che chiamiamo 'doping ad alta entropia', siamo stati in grado di fabbricare con successo un catodo stratificato privo di cobalto con tolleranza al calore estremamente elevata e stabilità su cicli ripetuti di carica e scarica", ha affermato l'autore corrispondente Huolin Xin, professore dell'UCI di fisica e astronomia. "Questo risultato risolve i problemi di sicurezza e stabilità di lunga data relativi ai materiali delle batterie ad alto contenuto di nichel, aprendo la strada ad applicazioni commerciali su vasta scala."
Il cobalto è uno dei rischi più significativi della catena di approvvigionamento che minaccia l'adozione diffusa di auto elettriche, camion e altri dispositivi elettronici che richiedono batterie, secondo gli autori del documento. Il minerale, chimicamente idoneo allo scopo di stabilizzare i catodi delle batterie agli ioni di litio, viene estratto quasi esclusivamente nella Repubblica Democratica del Congo in condizioni abusive e disumane.
"I produttori di veicoli elettrici sono ansiosi di ridurre l'uso del cobalto nei loro pacchi batteria non solo per ridurre i costi, ma per contrastare le pratiche di lavoro minorile utilizzate per estrarre il minerale", ha affermato Xin. "La ricerca ha anche dimostrato che il cobalto può portare al rilascio di ossigeno ad alta tensione, causando danni alle batterie agli ioni di litio. Tutto ciò indica la necessità di alternative".
Tuttavia, i catodi a base di nichel presentano i loro problemi, come la scarsa tolleranza al calore, che può portare all'ossidazione dei materiali della batteria, alla dispersione termica e persino all'esplosione. Sebbene i catodi ad alto contenuto di nichel accettino capacità maggiori, la deformazione del volume dovuta a ripetute dilatazioni e contrazioni può causare scarsa stabilità e problemi di sicurezza.
I ricercatori hanno cercato di affrontare questi problemi attraverso un drogaggio ad alta entropia composizionalmente complesso utilizzando HE-LMNO, una fusione di metalli di transizione magnesio, titanio, manganese, molibdeno e niobio all'interno della struttura, con un sottoinsieme di questi minerali utilizzati sulla sua superficie e interfaccia con altri materiali per batterie.
Xin e i suoi colleghi hanno utilizzato una serie di strumenti di diffrazione dei raggi X di sincrotrone, microscopia elettronica a trasmissione e nanotomografia 3D per determinare che il loro catodo a zero cobalto mostrava una variazione volumetrica di zero senza precedenti durante l'uso ripetuto. La struttura altamente stabile è in grado di sopportare più di 1.000 cicli e temperature elevate, il che lo rende paragonabile ai catodi con un contenuto di nichel molto inferiore.
Per alcuni di questi strumenti di ricerca, Xin ha collaborato con i ricercatori della National Synchrotron Light Source II, situata presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti a New York. In qualità di struttura utente del DOE Office of Science, NSLS-II ha offerto al team l'accesso a tre dei suoi 28 strumenti scientifici, chiamati beamline, per studiare la struttura interna del nuovo catodo.
"La combinazione dei diversi metodi alle linee di luce NSLS II ha consentito la scoperta di un effetto di intrappolamento delle vacanze di ossigeno e dei difetti all'interno del materiale, che previene efficacemente la formazione di crepe nella particella secondaria HE-LMNO, rendendo questa struttura estremamente stabile durante il ciclo", ha affermato il coautore Mingyuan Ge, uno scienziato dell'NSLS-II.
Xin ha aggiunto:"Utilizzando questi strumenti avanzati, siamo stati in grado di osservare la stabilità termica notevolmente aumentata e le caratteristiche di variazione volumetrica zero del catodo, e siamo stati in grado di dimostrare una ritenzione della capacità e una durata del ciclo straordinariamente migliorate. Questa ricerca potrebbe impostare la fase per lo sviluppo di un'alternativa energeticamente densa alle batterie esistenti."
Ha affermato che il lavoro rappresenta un passo verso il raggiungimento del duplice obiettivo di stimolare la proliferazione di trasporti puliti e stoccaggio di energia, affrontando al contempo le questioni di giustizia ambientale relative all'estrazione di minerali utilizzati nelle batterie. + Esplora ulteriormente
