Immagine a grandezza naturale della struttura cristallina di MWNO. Le sfere rossa, verde, grigia (negli ottaedri verde chiaro) e viola corrispondono rispettivamente agli atomi O, Nb, W e Mo nella cella unitaria. La struttura è composta da 4 × 4 ReO3 blocchi intersecati con piani di taglio cristallografici. Credito:Materiali energetici avanzati (2022). DOI:10.1002/aenm.202200519
I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia e dell'Università del Tennessee, a Knoxville, hanno scoperto un materiale chiave necessario per le batterie agli ioni di litio a ricarica rapida. L'approccio commercialmente rilevante apre un potenziale percorso per migliorare le velocità di ricarica per i veicoli elettrici.
Le batterie agli ioni di litio, o LIB, svolgono un ruolo essenziale nel portafoglio nazionale di tecnologie per l'energia pulita. La maggior parte dei veicoli ibridi elettrici e completamente elettrici utilizza LIB. Queste batterie ricaricabili offrono vantaggi in termini di affidabilità ed efficienza perché possono immagazzinare più energia, caricarsi più velocemente e durare più a lungo rispetto alle tradizionali batterie al piombo. Tuttavia, la tecnologia è ancora in via di sviluppo e sono necessari progressi fondamentali per soddisfare le priorità per migliorare il costo, l'autonomia e il tempo di ricarica delle batterie dei veicoli elettrici.
"Il superamento di queste sfide richiederà progressi nei materiali che siano più efficienti e metodi di sintesi che siano scalabili per l'industria", hanno affermato ORNL Corporate Fellow e l'autore corrispondente Sheng Dai.
Risultati pubblicati in Materiali energetici avanzati dimostrare un nuovo materiale anodico della batteria a ricarica rapida ottenuto utilizzando un metodo di sintesi scalabile. Il team ha scoperto un nuovo composto di molibdeno-tungsteno-niobato, o MWNO, con ricaricabilità rapida e alta efficienza che potrebbe potenzialmente sostituire la grafite nelle batterie commerciali.
Per decenni, la grafite è stato il miglior materiale utilizzato per realizzare anodi LIB. Nella progettazione di base della batteria, due elettrodi solidi, un anodo positivo e un catodo negativo, sono collegati da una soluzione elettrolitica e da un separatore. Nelle LIB, gli ioni di litio si muovono avanti e indietro tra il catodo e l'anodo per immagazzinare e rilasciare l'energia che alimenta i dispositivi. Una sfida per gli anodi di grafite è che l'elettrolita si decompone e forma un accumulo sulla superficie dell'anodo durante il processo di carica. Questo accumulo rallenta il movimento degli ioni di litio e può limitare la stabilità e le prestazioni della batteria.
"A causa di questo lento movimento agli ioni di litio, gli anodi di grafite sono visti come un ostacolo alla ricarica estremamente rapida. Stiamo cercando nuovi materiali a basso costo che possano superare la grafite", ha affermato Runming Tao, ricercatore post-dottorato dell'ORNL e primo autore. L'obiettivo di ricarica rapida estrema di DOE per i veicoli elettrici è fissato a 15 minuti o meno per competere con i tempi di rifornimento dei veicoli a gas, una pietra miliare che non è stata raggiunta con la grafite.
"Il nostro approccio si concentra sui materiali non di grafite, ma anche questi hanno dei limiti. Alcuni dei materiali più promettenti, gli ossidi a base di niobio, hanno metodi di sintesi complicati che non sono adatti all'industria", ha affermato Tao.
La sintesi convenzionale di ossidi di niobio come MWNO è un processo ad alta intensità energetica su fiamma libera che genera anche rifiuti tossici. Un'alternativa pratica potrebbe spingere i materiali MWNO a diventare seri candidati per batterie avanzate. I ricercatori si sono rivolti al consolidato processo sol-gel, noto per la sicurezza e la semplicità. A differenza della sintesi convenzionale ad alta temperatura, il processo sol-gel è un metodo chimico a bassa temperatura per convertire una soluzione liquida in un materiale solido o gel ed è comunemente usato per realizzare vetri e ceramiche.
Il team ha trasformato una miscela di liquido ionico e sali metallici in un gel poroso che è stato trattato con il calore per migliorare le proprietà finali del materiale. La strategia a basso consumo energetico consente inoltre di recuperare e riciclare il solvente liquido ionico utilizzato come modello per MWNO.
"Questo materiale funziona a una tensione più alta della grafite e non è incline a formare quello che viene chiamato uno 'strato di elettrolita solido di passivazione' che rallenta il movimento degli ioni di litio durante la carica. La sua eccezionale capacità e velocità di ricarica rapida, combinate con una scalabile metodo di sintesi, lo rendono un candidato interessante per i futuri materiali delle batterie", ha affermato Tao.
La chiave del successo del materiale è una struttura nanoporosa che fornisce una maggiore conduttività elettrica. Il risultato offre una minore resistenza al movimento degli ioni di litio e degli elettroni, consentendo una ricarica rapida.
"Lo studio raggiunge un metodo di sintesi scalabile per un materiale MWNO competitivo, oltre a fornire informazioni fondamentali sulla progettazione futura di materiali per elettrodi per una varietà di dispositivi di accumulo di energia", ha affermato Dai. + Esplora ulteriormente
