Esaminare sotto la lente del microscopio gli ioni di litio per migliorare le batterie dei veicoli elettrici
La gran parte dei veicoli elettrici è alimentata da batterie agli ioni di litio dotate di una delle più elevate densità energetiche, battendo qualunque tecnologia di batteria odierna. Tuttavia, dato l’aumento dei proprietari di auto a benzina che passa ai veicoli elettrici, la richiesta di un’autonomia di guida maggiore e di tempi di ricarica più rapidi è destinata a incrementare, scatenando l’esigenza di materiali nuovi e migliori per le batterie. Attualmente, gli avanzati ossidi di litio stratificati ricchi di nichel figurano tra i materiali per batterie più promettenti e ampiamente utilizzati nei veicoli elettrici di lusso. La comprensione dei loro meccanismi di funzionamento e, in particolare, del trasporto degli ioni di litio, si rivela determinante per migliorarne le prestazioni elettrochimiche. Ciononostante, finora questi meccanismi non sono pienamente compresi. L’attività di ricerca sostenuta dai progetti SOLARX, MULTILAT e BATNMR, finanziati dall’UE, ha dimostrato che, a differenza di quanto ritenuto in passato, l’accumulo di ioni di litio nei materiali delle batterie attraverso le singole particelle attive è tutt’altro che uniforme. In effetti, il gruppo del progetto ha riscontrato che il movimento irregolare degli ioni di litio in un materiale catodico di prossima generazione a base di ossido di cobalto di manganese ricco di nichel potrebbe diminuire la capacità della batteria e ostacolarne le prestazioni. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista «Joule».
Tecniche in tempo reale fondamentali
Avvalendosi della microscopia a dispersione ottica e la modellizzazione diffusiva in condizioni di lavoro, i ricercatori hanno monitorato la modalità di interazione della luce con le particelle attive durante il funzionamento della batteria. Hanno notato differenze tangibili nell’accumulo di litio durante il ciclo di carica-scarica nelle particelle a base di ossido di cobalto di manganese ricco di nichel. «È la prima volta che questa disomogeneità nell’accumulo del litio è stata osservata in modo diretto nelle singole particelle», afferma la dottoranda e co-autrice principale, Alice Merryweather, dell’Università di Cambridge, l’istituzione che ha ospitato i progetti SOLARX, MULTILAT e BATNMR, in un articolo pubblicato sul sito web dell’università. «Le tecniche in tempo reale come le nostre sono cruciali per cogliere questo aspetto durante il ciclo della batteria.» Come riferito nell’articolo, la disomogeneità menzionata nell’accumulo del litio è stata attribuita ai cambiamenti drastici a cui è soggetta la velocità di diffusione degli ioni di litio nei materiali in ossido di cobalto di manganese ricco di nichel durante il ciclo di carica-scarica. Gli ioni di litio si diffondono lentamente nelle particelle di ossido di cobalto di manganese ricco di nichel interamente litiate; eppure, quando alcuni ioni di litio sono rimossi dalle particelle, la diffusione aumenta velocemente. La rapida diffusione osservata al momento della delitiazione, all’inizio della carica, comporta la presenza di particelle attive con superfici povere di litio e nuclei ricchi di litio. Per contro, la lenta diffusione di ioni in particelle a base di ossido di cobalto di manganese ricco di nichel interamente litiate, quasi al termine della scarica della batteria, si traduce in particelle con superfici ricche di litio e nuclei poveri di litio. «Il nostro modello ha previsto il grado di eterogeneità riscontrato nel corso degli esperimenti», sottolinea il co-autore principale, il dott. Shrinidhi Pandurangi, sempre dell’Università di Cambridge. «Queste previsioni sono essenziali per comprendere ulteriori meccanismi di degradazione delle batterie, tra cui la rottura delle particelle.» L’eterogeneità del litio al termine della scarica fornisce una spiegazione del motivo per cui i catodi ricchi di nichel perdono circa il 10 % della loro capacità dopo il primo ciclo di carica-scarica. «Questo aspetto è rilevante in virtù di uno standard industriale utilizzato per stabilire se è necessario ritirare o meno una batteria quando ha perso il 20 % della sua capacità», osserva il co-autore principale, il dott. Chao Xu del Politecnico di Shanghai, in Cina, che ha partecipato allo studio durante la sua permanenza a Cambridge. Le informazioni acquisite durante lo studio sostenuto dai progetti SOLARX (Photon Management for Solar Energy Harvesting with Hybrid Excitonics), MULTILAT (Multi-phase Lattice Materials) e BATNMR (Development and Application of New NMR Methods for Studying Interphases and Interfaces in Batteries) spianano la strada a nuovi approcci tesi a superare le perdite di capacità e a prolungare il ciclo di vita di materiali per batterie ad alte prestazioni. Per maggiori informazioni, consultare: progetto SOLARX sito web del progetto MULTILAT progetto BATNMR
Parole chiave
SOLARX, MULTILAT, BATNMR, veicolo elettrico, batteria, ione di litio, ossido di cobalto di manganese ricco di nichel
