Nel nostro futuro mondo elettrificato, si prevede che la domanda di accumulo di batterie sarà enorme, raggiungendo da 2 a 10 terawattora (TWh) di produzione annuale di batterie entro il 2030, da meno di 0,5 TWh di oggi. Tuttavia, crescono le preoccupazioni in merito all'adeguatezza delle materie prime chiave per soddisfare questa domanda futura. La batteria agli ioni di litio, la tecnologia dominante per il prossimo futuro, ha un componente composto da cobalto e nichel e questi due metalli devono affrontare severi vincoli di fornitura sul mercato globale.

Ora, dopo diversi anni di ricerca guidati dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), gli scienziati hanno compiuto progressi significativi nello sviluppo di catodi per batterie utilizzando una nuova classe di materiali che forniscono alle batterie la stessa densità di energia, se non superiore, rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio ma può essere fatto di metalli economici e abbondanti. Conosciuta come DRX, che sta per sali rocciosi disordinati con eccesso di litio, questa nuova famiglia di materiali è stata inventata meno di 10 anni fa e consente di realizzare catodi senza nichel o cobalto.

"La classica batteria agli ioni di litio ci ha servito bene, ma poiché consideriamo le future richieste di accumulo di energia, la sua dipendenza da alcuni minerali critici ci espone non solo ai rischi della catena di approvvigionamento, ma anche a problemi ambientali e sociali", ha affermato Ravi Prasher, Direttore di laboratorio associato per le tecnologie energetiche di Berkeley Lab. "Con i materiali DRX, questo offre alle batterie al litio il potenziale per essere la base per le tecnologie delle batterie sostenibili per il futuro."

Il catodo è uno dei due elettrodi di una batteria e rappresenta più di un terzo del costo di una batteria. Attualmente il catodo nelle batterie agli ioni di litio utilizza una classe di materiali nota come NMC, con nichel, manganese e cobalto come ingredienti chiave.

"Ho fatto ricerche sui catodi per oltre 20 anni, alla ricerca di nuovi materiali, e DRX è il miglior nuovo materiale che abbia mai visto", ha affermato Gerbrand Ceder, scienziato delle batterie del Berkeley Lab, che è co-guida della ricerca. "Con l'attuale classe NMC, che è limitata al solo nichel, cobalto e un componente inattivo fatto di manganese, la classica batteria agli ioni di litio è alla fine della sua curva di prestazioni a meno che non si trasferisca a nuovi materiali catodici, ed è quello che il Il programma DRX offre I materiali DRX hanno un'enorme flessibilità compositiva, e questo è molto potente perché non solo puoi usare tutti i tipi di metalli abbondanti in un catodo DRX, ma puoi anche usare qualsiasi tipo di metallo per risolvere qualsiasi problema che potrebbe sorgere durante le prime fasi della progettazione di nuove batterie. Ecco perché siamo così entusiasti."

Rischi della catena di approvvigionamento del cobalto e del nichel

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha ritenuto prioritario trovare modi per ridurre o eliminare l'uso del cobalto nelle batterie. "L'industria delle batterie sta affrontando un'enorme crisi di risorse", ha affermato Ceder. "Anche a 2 TWh, la gamma più bassa delle proiezioni della domanda globale, consumerebbe quasi tutta la produzione di nichel odierna, e con il cobalto non siamo nemmeno vicini. La produzione di cobalto oggi è solo di circa 150 kilotoni e 2 TWh di carica della batteria sarebbero richiedono 2.000 kilotoni di nichel e cobalto in qualche combinazione."

Inoltre, oltre i due terzi della produzione mondiale di nichel sono attualmente utilizzati per la produzione di acciaio inossidabile. E più della metà della produzione mondiale di cobalto proviene dalla Repubblica Democratica del Congo, con Russia, Australia, Filippine e Cuba che completano i primi cinque produttori di cobalto.

Al contrario, i catodi DRX possono utilizzare praticamente qualsiasi metallo al posto di nichel e cobalto. Gli scienziati del Berkeley Lab si sono concentrati sull'utilizzo di manganese e titanio, che sono entrambi più abbondanti e meno costosi del nichel e del cobalto.

"L'ossido di manganese e l'ossido di titanio costano meno di $ 1 al chilogrammo, mentre il cobalto costa circa $ 45 al chilogrammo e il nichel circa $ 18", ha affermato Ceder. "Con DRX hai il potenziale per realizzare un accumulo di energia molto economico. A quel punto gli ioni di litio diventano imbattibili e possono essere utilizzati ovunque, per i veicoli, la rete, e possiamo davvero rendere l'accumulo di energia abbondante ed economico".

Ordinato vs. disordinato

Ceder e il suo team hanno sviluppato materiali DRX nel 2014. Nelle batterie, il numero e la velocità degli ioni di litio in grado di viaggiare nel catodo si traduce in quanta energia e potenza ha la batteria. Nei catodi convenzionali, gli ioni di litio viaggiano attraverso il materiale del catodo lungo percorsi ben definiti e si dispongono tra gli atomi del metallo di transizione (solitamente cobalto e nichel) in strati puliti e ordinati.

Ciò che il gruppo di Ceder ha scoperto è che un catodo con una struttura atomica disordinata potrebbe contenere più litio, il che significa più energia, pur consentendo a una gamma più ampia di elementi di fungere da metallo di transizione. Hanno anche imparato che all'interno di quel caos, gli ioni di litio possono facilmente saltare in giro.

Nel 2018, il Vehicle Technologies Office dell'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy del DOE ha fornito finanziamenti al Berkeley Lab per fare un "tuffo profondo" nei materiali DRX. In collaborazione con gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory, del Pacific Northwest National Laboratory e dell'UC Santa Barbara, i team del Berkeley Lab guidati da Ceder e Guoying Chen hanno compiuto enormi progressi nell'ottimizzazione dei catodi DRX nelle batterie agli ioni di litio.

Ad esempio, la velocità di carica, o la velocità di carica della batteria, di questi materiali era inizialmente molto bassa e anche la sua stabilità era scarsa. Il team di ricerca ha trovato il modo di affrontare entrambi questi problemi attraverso la modellazione e la sperimentazione. Gli studi sull'uso della fluorurazione per migliorare la stabilità sono stati pubblicati in Materiali funzionali avanzati e Materiali energetici avanzati; una ricerca su come abilitare una tariffa di ricarica elevata è stata recentemente pubblicata su Nature Energy .

Dal momento che DRX può essere realizzato con molti elementi diversi, i ricercatori hanno anche lavorato su quale elemento sarebbe il migliore da usare, colpendo il punto debole di essere abbondante, poco costoso e fornire buone prestazioni. "DRX è stato ora sintetizzato con quasi l'intera tavola periodica", ha detto Ceder.

"Questa è la scienza al suo meglio:scoperte fondamentali che fungeranno da base per i sistemi nelle future case, veicoli e reti", ha affermato Noel Bakhtian, direttore dell'Energy Storage Center di Berkeley Lab. "Ciò che ha reso il Berkeley Lab così vincente per decenni nell'innovazione delle batterie è la nostra combinazione di ampiezza e profondità di competenze, dalla scoperta fondamentale alla caratterizzazione, sintesi e produzione, nonché mercati energetici e ricerca politica. La collaborazione è fondamentale:collaboriamo con l'industria e non solo per risolvere i problemi del mondo reale, il che a sua volta aiuta a galvanizzare la scienza leader a livello mondiale che facciamo al Lab."

Veloce progresso

I nuovi materiali per batterie hanno tradizionalmente impiegato dai 15 ai 20 anni per essere commercializzati; Ceder ritiene che i progressi sui materiali DRX possano essere accelerati con un team più ampio. "Abbiamo fatto grandi progressi negli ultimi tre anni con l'immersione profonda", ha detto Ceder. "Siamo giunti alla conclusione che siamo pronti per un team più grande, in modo da poter coinvolgere persone con un insieme più diversificato di competenze per perfezionarlo davvero."

Un team di ricerca ampliato potrebbe agire rapidamente per affrontare i problemi rimanenti, incluso il miglioramento della durata del ciclo (o il numero di volte in cui la batteria può essere ricaricata e scaricata nel corso della sua vita) e l'ottimizzazione dell'elettrolito, il mezzo chimico che consente il flusso di carica elettrica tra catodo e anodo. Da quando sono stati sviluppati nel laboratorio di Ceder, anche gruppi in Europa e Giappone hanno lanciato ampi programmi di ricerca DRX.

"I progressi nelle tecnologie delle batterie e nell'accumulo di energia richiederanno continue innovazioni nella scienza fondamentale dei materiali", ha affermato Jeff Neaton, direttore del laboratorio associato per le scienze energetiche del Berkeley Lab. "L'esperienza, le strutture uniche e le capacità di Berkeley Lab nell'imaging avanzato, nel calcolo e nella sintesi ci consentono di studiare materiali su scala di atomi ed elettroni. Siamo pronti ad accelerare lo sviluppo di materiali promettenti come DRX per l'energia pulita".