La tecnologia RM consente l'osservazione in tempo reale della dissoluzione degli ioni metallici nei catodi delle batterie agli ioni di litio, aiutando nella valutazione di sistemi elettrolitici alternativi
L’imaging a risonanza magnetica (RM), la tecnica di generazione di immagini usata prevalentemente a scopi diagnostici in campo medico, può dare una mano anche all’energy storage. Lo ha dimostrato un gruppo di ricercatori tedesco-giapponesi facendo luce su un meccanismo di degradazione delle batterie al litio LMO, ricaricabili che impiegano materiali a base di biossido di manganese (MnO2) a livello del catodo.
Batterie al litio LMN, vantaggi e svantaggi
Sulla carta, si tratta di ottimi materiali catodici per lo sviluppo di batterie destinate ai veicoli elettrici. L’LMO a struttura spinello e i suoi derivati vantano, infatti, una elevata tensione di esercizio, un costo contenuto grazie all’assenza di cobalto e nichel, e prestazioni sicure. Tuttavia sebbene l’LMO funzioni ad alta tensione, presenta un innegabile svantaggio che ne ha limitato la penetrazione nel mercato: quando utilizzato a potenziali superiori a 4,3 V va incontro ad una perdita di stabilità strutturale e al calo di capacità.
Tre le cause principali dietro questo processo di degradazione delle prestazioni. La decomposizione dell’elettrolita quando utilizzato ad alto potenziale, il cambiamento di fase e la dissoluzione del manganese nell’elettrolita. Fra tutte la più problematica e la meno compresa è sicuramente la dissoluzione attiva del metallo, soprattutto in caso di applicazioni di lunga durata come veicoli elettrici.
Risonanza magnetica per migliorare le batterie al Litio LMO
La difficoltà di definire il problema sta tutto nella quantità: la concentrazione di ioni Mn nella dissoluzione è molto piccola e pertanto difficile studiare.
È a questo livello che si inserisce in nuovo studio, curato da un gruppo di ricercatori dell’Università di Tohoku (Giappone) in collaborazione con l’Università di Münster (Germania).
Il gruppo giapponese ha lavorato su un nuovo approccio per rilevare e studiare la dissoluzione dello ione metallico nel catodo nelle batterie al litio MNO. Gli scienziati hanno impiegato la risonanza magnetica nucleare (MRI) per osservare la dissoluzione, procedimento possibile in virtù del paramagnetismo del manganese disciolto.
Nel dettaglio hanno esaminato direttamente in tempo reale la dissoluzione di ioni manganese da un catodo LiMn2O4 di tipo spinello, in un elettrolita di batteria commerciale LiPF6 EC:DMC. E hanno utilizzato questa tecnica anche per verificare se un sistema elettrolitico alternativo – il sistema elettrolitico LiTFSI MCP sviluppato dai ricercatori dell’ateneo tedesco – potesse inibire la degradazione.
I risultati
Secondo Nithya Hellar dell’Università di Tohoku, “I risultati dello studio dimostrano che la dissoluzione di una piccolissima quantità di manganese può essere rilevata con elevata sensibilità tramite risonanza magnetica e visualizzata in tempo reale, il che può accelerare notevolmente la velocità della ricerca”.
L’utilizzo di questo metodo di test offre ai ricercatori un aiuto inestimabile “nell’esplorazione della dissoluzione degli ioni metallici in qualsiasi sistema elettrochimico in diverse condizioni […] come la modifica della soluzione elettrolitica, del sale, degli elettrodi e degli additivi. Questo metodo di identificazione può aiutare a progettare materiali per batterie al litio e a migliorarne le prestazioni”, ha affermato Junichi Kawamura, professore emerito presso la Tohoku University.
La ricerca è stata pubblica su Communications Materials (testo in inglese).
