Scoperto l'ostacolo chiave per batterie più durature

I ricercatori dell'Università del Texas a Dallas hanno scoperto il motivo per cui le batterie LiNiO2 si rompono e stanno testando una soluzione che potrebbe eliminare uno dei principali ostacoli all'uso diffuso del materiale. I risultati sono stati pubblicati online il 10 dicembre sulla rivista Advanced Energy Materials.

Il team prevede di produrre inizialmente batterie LiNiO2 in laboratorio e di collaborare con un partner industriale per commercializzare la tecnologia.

"Il degrado delle batterie prodotte con LiNiO2 è un problema da decenni, ma la causa non è stata ben compresa", ha dichiarato il dottor Kyeongjae Cho, professore di scienza dei materiali e ingegneria presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science e direttore del programma Batteries and Energy to Advance Commercialisation and National Security (BEACONS). "Ora che sappiamo perché questo accade, stiamo lavorando a una soluzione in modo che la tecnologia possa essere utilizzata per una maggiore durata delle batterie in una serie di prodotti come telefoni e veicoli elettrici".

La ricerca è un progetto dell'iniziativa BEACONS dell'UTD, lanciata nel 2023 con 30 milioni di dollari dal Dipartimento della Difesa. La missione dell'iniziativa BEACONS è quella di sviluppare e commercializzare nuove tecnologie e processi produttivi per le batterie, migliorare la disponibilità nazionale di materie prime critiche e formare una forza lavoro altamente qualificata per la crescente forza lavoro nel settore dello stoccaggio delle batterie.

Per scoprire perché le batterie LiNiO2 si rompono nella fase finale della carica, i ricercatori della UT Dallas hanno utilizzato la modellazione al computer per analizzare il processo. Lo studio ha comportato la comprensione delle reazioni chimiche e della ridistribuzione degli elettroni nei materiali a livello atomico.

Nelle batterie agli ioni di litio, la corrente elettrica passa da un conduttore, il catodo, un elettrodo positivo, a un anodo, un elettrodo negativo. L'anodo è solitamente costituito da grafite di carbonio, che mantiene il litio a un potenziale più elevato. Durante la scarica, gli ioni di litio tornano al catodo attraverso l'elettrolita e rimandano gli elettroni al catodo contenente litio, con una reazione elettrochimica che genera elettricità. I catodi sono in genere costituiti da una miscela di materiali contenenti cobalto, un materiale scarso che gli scienziati stanno cercando di sostituire con alternative come l'ossido di nichel e litio.

I ricercatori dell'UTD hanno scoperto che una reazione chimica con gli atomi di ossigeno nel LiNiO2 rende il materiale instabile e si rompe. Per risolvere il problema, hanno sviluppato una soluzione teorica che rafforza il materiale aggiungendo uno ione o un catione con carica positiva per modificare le proprietà del materiale e creare "pilastri" per rafforzare il catodo.

Matthew Bergschneider, dottorando in scienze dei materiali e ingegneria e primo autore dello studio, ha allestito un laboratorio robotizzato di prototipazione di batterie per esplorare processi di sintesi ad alto rendimento per i catodi LiNiO2 sviluppati. Le capacità robotizzate contribuiranno alla sintesi, alla valutazione e alla caratterizzazione dei materiali.

"Prima faremo un piccolo lotto e perfezioneremo il processo", spiega Bergschneider, borsista Eugene McDermott. Poi aumenteremo la sintesi del materiale e produrremo centinaia di batterie alla settimana presso la struttura BEACONS". Questi sono tutti passi sulla strada della commercializzazione".

Tra gli altri ricercatori coinvolti nello studio figurano Fantai Kong PhD'17, Patrick Conlin PhD'22, il dottor Taesoon Hwang, ricercatore in Scienza e ingegneria dei materiali, e il dottor Seok-Gwang Doo del Korea Institute of Energy Technology.