Brevettato un nuovo materiale catodico ad alta capacità per le batterie agli ioni di litio realizzato con strati di ossidi di metalli di transizione ricchi di nichel. Per produrlo un nuovo approccio idrotermico assistito da microonde
Il nuovo catodo ad alta capacità dura il 10% in più rispetto a quelli disponibili sul mercato
Arriva dalla Russia e più precisamente dall’Istituto di scienza e tecnologia Skolkovo, un nuovo approccio per realizzare catodi ad alta capacità e lunga durata per le batterie a ioni di litio. Materiale e processo sono già stati brevettati e, per i ricercatori, i progressi raggiunti apriranno la strada alla produzione di dispositivi di accumulo elettrochimico nel paese. “Oggi, Skoltech è il più grande detentore di proprietà intellettuale nei materiali catodici di ossido in Russia”, ha spiegato il direttore del centro Artem Abakumov. “Qui stiamo sviluppando attivamente sia nuovi materiali catodici sia tecnologie più efficienti per la loro produzione industriale”.
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I catodi della batterie a ioni di litio
Lo studio russo nasce per rispondere ad una precisa domanda di mercato. Man mano che le batterie a ioni di litio si fanno strada nel settore dei trasporti e dell’accumulo stazionario, cresce l’esigenza di poter contare su dispositivi ad alta densità energetica e più economici di quelli attuali. Uno degli elementi chiave su cui lavorare per raggiungere questi obiettivi è il catodo.
Nelle batterie ricaricabili al litio il catodo è l’elettrodo positivo dove avviene la riduzione durante la scarica. Ed ha un ruolo di primo piano nel definire costi, capacità, cicli e stabilità termica delle ioni litio.
Attualmente esistono tre classi di materiali catodici commerciali per le batterie agli ioni di litio:
- gli ossidi stratificati;
- gli spinelli, un gruppo di ossidi;
- i complessi di ossoanione.
I primi, materiali ricchi Nichel e metalli di transizione, sono diventati la scelta numero uno grazie alla loro elevata capacità elettrochimica reversibile, densità energetica e costo relativamente basso. Ad esempio, il materiale catodico NMC622 e il NMC811, oggi già in commercio, forniscono una capacità di scarica pratica, rispettivamente, di circa 180 e 200 mAh/g e una densità energetica di circa 640 e circa 720 Wh/kg.
Catodo ad alta capacità ultra ricco di nichel
È possibile, tuttavia, spingere la densità energetica ancora oltre, per arrivare e superare gli 800 Wh/kg. Come? Incrementando ulteriormente la frazione di Nichel (Ni). Peccato ad un contenuto di Ni particolarmente elevato non corrisponda solo una maggiore densità energetica ma anche cambiamenti strutturali drammatici durante il ciclo elettrochimico. Cambiamenti che compromettono irrimediabilmente la durata della batteria.
È qui che si inserisce il lavoro svolto dagli scienziati russi. Il team è riuscito a superare i problemi attraverso un doppio approccio: ha rivestito le particelle sferiche del precursore del materiale catodico con un sottile strato di idrossido di cobalto attraverso un trattamento idrotermico assistito da microonde; quindi ha creato un gradiente di concentrazione nelle particelle, di modo tale che il contenuto di Ni fosse più alto nel nucleo e progressivamente minore verso la superficie.
“La formazione di un gradiente di concentrazione, combinata con una morfologia unica, offre diversi vantaggi: stabilità del materiale e la sua elevata capacità a diverse velocità di ciclo”, ha spiegato Alexandra Savina, coautrice del brevetto e dell’articolo. “Grazie al nostro materiale, la batteria agli ioni di litio funzionerà circa il 10% più a lungo. Inoltre, utilizziamo reagenti economici come la carbammide (urea)”.
Gli autori sottolineano che uno degli obiettivi della tabella di marcia è quello di produrre celle con una densità energetica massima di 260 Wh/kg, ma già ora il team sta producendo prototipi oltre i 250 Wh/kg e, passando al materiale di nuova generazione, sono fiduciosi di poter arrivare fino a 300 Wh/kg.
La ricerca è stata pubblicata su Journal of Power Sources (testo in inglese).
