Nuova classe di materiali per rendere le batterie più veloci

I ricercatori hanno identificato un gruppo di materiali che potrebbero essere utilizzati per produrre batterie di potenza ancora più elevata. I ricercatori, dell’Università di Cambridge, hanno usato materiali con una complessa struttura cristallina e hanno scoperto che gli ioni di litio si muovono attraverso di essi a velocità che superano di gran lunga quelle dei materiali tipici degli elettrodi, il che equivale a una batteria molto più veloce.

Sebbene questi materiali, noti come ossidi di tungsteno di niobio, non diano luogo a densità energetiche più elevate quando vengono utilizzati con tassi di ciclaggio tipici, vengono utilizzati per applicazioni di ricarica rapida. Inoltre, la loro struttura fisica e il loro comportamento chimico offrono ai ricercatori una preziosa visione di come una batteria di ricarica sicura e superveloce possa essere costruita e suggeriscono che la soluzione per le batterie di prossima generazione potrebbe provenire da materiali non convenzionali. I risultati sono riportati nella rivista Nature.

Molte delle tecnologie che usiamo ogni giorno sono diventate sempre più piccole, più veloci e meno costose ogni anno – con la notevole eccezione delle batterie. Oltre alla possibilità di uno smartphone che potrebbe essere caricato completamente in pochi minuti, le sfide associate a una batteria migliore stanno frenando l’adozione diffusa di due importanti tecnologie pulite: le auto elettriche e lo stoccaggio su scala di griglie per l’energia solare.

“Siamo sempre alla ricerca di materiali con prestazioni di batteria ad alta velocità, che comporterebbero una ricarica molto più rapida e potrebbero anche fornire una potenza elevata”, afferma il dott. Kent Griffith, ricercatore nel Dipartimento di Chimica di Cambridge e primo autore dello studio.

Nella loro forma più semplice, le batterie sono costituite da tre componenti: un elettrodo positivo, un elettrodo negativo e un elettrolito. Quando una batteria si sta caricando, gli ioni di litio vengono estratti dall’elettrodo positivo e si muovono attraverso la struttura cristallina e l’elettrolito all’elettrodo negativo, dove vengono memorizzati. Più velocemente questo processo si verifica, più velocemente la batteria può essere caricata.

Nella ricerca di nuovi materiali per elettrodi, i ricercatori normalmente cercano di ridurre le particelle. “L’idea è che se fai la distanza che gli ioni di litio devono viaggiare più breve, dovrebbero darti prestazioni più elevate”, ha detto Griffith. “Ma è difficile realizzare una batteria pratica con le nanoparticelle: si ottengono molte più reazioni chimiche indesiderate con l’elettrolita, quindi la batteria non dura più a lungo, in più è costoso da produrre”.

“Le nanoparticelle possono essere difficili da realizzare, motivo per cui stiamo cercando materiali che hanno intrinsecamente le proprietà che stiamo cercando anche quando sono usati come particelle di dimensioni micron relativamente grandi. Ciò significa che non devi affrontare un processo complicato per realizzarli, il che mantiene bassi i costi”, afferma la professoressa Clare Gray, anch’essa del dipartimento di chimica e autrice senior dello studio. “Le nanoparticelle sono anche difficili da lavorare a livello pratico, in quanto tendono ad essere piuttosto ‘soffici’, quindi è difficile comprimerle strettamente, il che è fondamentale per la densità volumetrica di una batteria.”

Gli ossidi di tungsteno di niobio utilizzati hanno una struttura rigida e aperta che non intrappola il litio inserito e che ha particelle più grandi di molti altri materiali per elettrodi. Griffith ipotizza che la ragione per cui questi materiali non abbiano ricevuto attenzione in precedenza è correlata alle loro complesse disposizioni atomiche. Tuttavia, egli suggerisce che la complessità strutturale e la composizione mista col metallo sono le ragioni stesse per cui i materiali presentano proprietà di trasporto uniche.

“Molti materiali delle batterie si basano sulle stesse due o tre strutture cristalline, ma questi ossidi di tungsteno di niobio sono fondamentalmente diversi”, afferma Griffith. Gli ossidi sono tenuti aperti da ‘pilastri’ di ossigeno, che consente agli ioni di litio di attraversarli in tre dimensioni. “I pilastri di ossigeno, o shear planes, rendono questi materiali più rigidi rispetto agli altri composti della batteria, in modo che, oltre alle loro strutture aperte, siano in grado di attraversare più ioni di litio e molto più rapidamente.”

Usando una tecnica chiamata spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (PFG) a impulsi di campo, che non è prontamente applicata ai materiali degli elettrodi della batteria, i ricercatori hanno misurato il movimento degli ioni di litio attraverso gli ossidi, e hanno scoperto che si muovevano a tassi diversi ordini di magnitudo superiore rispetto ai materiali tipici degli elettrodi.

Gli elettrodi più negativi nelle attuali batterie agli ioni di litio sono fatti di grafite, che ha un’alta densità di energia, ma quando caricati ad alte velocità, tende a formare sottili fibre di metallo al litio conosciute come dendriti, che possono creare un cortocircuito e causare le batterie prendere fuoco e possibilmente esplodere.

“Nelle applicazioni ad alto tasso, la sicurezza è una preoccupazione più grande che in qualsiasi altra circostanza operativa”, afferma Gray. “Questi materiali, e potenzialmente altri come loro, valgono sicuramente la pena di cercare applicazioni di ricarica rapida in cui è necessaria un’alternativa più sicura alla grafite”.

Oltre alle elevate velocità di trasporto del litio, anche gli ossidi di tungsteno di niobio sono semplici da fabbricare. “Molte delle strutture delle nanoparticelle richiedono più passaggi per sintetizzare e si finisce solo con una piccola quantità di materiale, quindi la scalabilità è un problema reale”, afferma Griffith. “Ma questi ossidi sono così facili da fare e non richiedono ulteriori prodotti chimici o solventi.”

Sebbene gli ossidi abbiano eccellenti velocità di trasporto del litio, portano a una tensione cellulare inferiore rispetto ad alcuni materiali degli elettrodi. Tuttavia, la tensione operativa è vantaggiosa per la sicurezza e le alte velocità di trasporto del litio significano che quando si ciclizza velocemente, la densità di energia pratica (utilizzabile) di questi materiali rimane elevata.

Mentre gli ossidi possono essere adatti solo per determinate applicazioni, Gray dice che l’importante è continuare a cercare nuove chimiche e nuovi materiali. “I campi ristagnano se non continui a cercare nuovi composti”, dice. “Questi materiali interessanti ci danno una buona idea di come possiamo progettare materiali per elettrodi a più alta velocità.”

La ricerca è stata finanziata in parte dall’Unione Europea, dal Consiglio per le strutture scientifiche e tecnologiche e dal Consiglio per la ricerca in ingegneria e scienze fisiche.

Il testo di questo articolo, in parte modificato, è stato tradotto in italiano dal testo pubblicato qui sotto licenza Creative Commons — Attribution 4.0 International — CC BY 4.0 ed è dunque disponibile secondo la stessa licenza.

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