Una spinta per la durata e la capacità della batteria

Un nuovo trucco chimico per realizzare materiali nanostrutturati potrebbe aiutare ad aumentare l'autonomia e l'affidabilità delle auto elettriche e portare a batterie migliori che potrebbero aiutare a stabilizzare la rete elettrica.

Serve energia: Quando il fosfato di litio-manganese viene coltivato utilizzando un nuovo processo, forma piastre microscopiche (mostrate qui). Queste piastre conducono sia gli elettroni che gli ioni di litio, trasformandolo in un materiale utile per immagazzinare elettricità.

Ricercatori presso il Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale (PNNL) a Richland, WA, hanno sviluppato la tecnica che può trasformare un potenziale materiale per elettrodi che normalmente non può immagazzinare elettricità in uno che immagazzina più energia rispetto a materiali per batterie simili già sul mercato.

In un lavoro pubblicato sulla rivista Nano lettere , i ricercatori del PNNL mostrano che la cera di paraffina e l'acido oleico incoraggiano la crescita di nanostrutture piastriformi di fosfato di litio-manganese. Queste nanopiastre sono piccole e sottili, consentendo agli elettroni e agli ioni (atomi o molecole con carica positiva o negativa) di entrare e uscire facilmente da esse. Questo trasforma il materiale, che normalmente non funziona come materiale per batterie a causa della sua scarsa conduttività, in uno che immagazzina grandi quantità di elettricità.

Quando i ricercatori hanno misurato le prestazioni del materiale, hanno scoperto che potrebbe immagazzinare il 10% di energia in più rispetto alla capacità energetica massima teorica di un materiale per elettrodi commerciale comparabile: litio-ferro fosfato, che viene utilizzato negli utensili elettrici e in alcuni veicoli ibridi ed elettrici. .

L'approccio potrebbe aprire la porta all'utilizzo di un'ampia gamma di materiali per batterie candidati che ora sono limitati dalla loro capacità di condurre elettricità e ioni di litio. La ricerca nell'area ha raggiunto il punto in cui la maggior parte dei materiali delle batterie lasciati da studiare hanno una cattiva conduttività, afferma Daiwon Choi, ricercatore di materiali energetici presso il PNNL. Il nuovo metodo fornisce un modo semplice per aumentare la loro conduttività. Dice che il metodo potrebbe anche essere compatibile con le tecniche convenzionali di produzione delle batterie.

Sia il fosfato di litio-ferro che il fosfato di litio-manganese sono attraenti per gli elettrodi della batteria perché hanno una struttura atomica stabile. Questa struttura cristallina, chiamata olivina, è molto più stabile della struttura cristallina dei materiali degli elettrodi utilizzati nelle batterie dei laptop e dei telefoni cellulari. Di conseguenza, i materiali di olivina possono durare molto più a lungo dei tre anni che normalmente durano i materiali delle batterie dei telefoni cellulari. Alcuni produttori affermano che le batterie al litio-ferro fosfato potrebbero durare per oltre 30.000 cicli completi di carica e scarica senza perdere gran parte della loro capacità di immagazzinare energia, abbastanza da far durare la batteria per 50 anni, afferma Choi.

In teoria, il fosfato di litio-manganese potrebbe durare per un numero simile di cicli, perché ha una struttura cristallina simile. Ma ha il vantaggio aggiuntivo di essere potenzialmente in grado di immagazzinare il 20% di energia in più rispetto al fosfato di ferro e litio, poiché funziona a una tensione più elevata. Tuttavia, è stato particolarmente difficile modificare il fosfato di litio-manganese per superare il fatto che è un isolante elettrico.

I precedenti tentativi hanno richiesto l'elaborazione di materiali precursori in una soluzione liquida prima di creare materiali per batterie solide, un processo troppo costoso per la produzione commerciale. Il nuovo metodo sviluppato al PNNL elimina questa fase separata di lavorazione del liquido, semplificando il processo e rendendolo compatibile con le tecniche di produzione esistenti.

Per preparare il materiale, i ricercatori mescolano precursori chimici con cera di paraffina e acido oleico. La cera e l'acido lavorano insieme per far sì che i materiali precursori formino cristalli di dimensioni e forma ben controllate senza agglomerarsi. La cera si liquefa alle alte temperature utilizzate per elaborare il materiale e agisce come un solvente che sostituisce la fase di lavorazione del liquido separata utilizzata nella ricerca precedente.

Finora, il materiale può essere caricato solo a basse velocità (sebbene fornisca energia abbastanza velocemente per molte applicazioni). Choi afferma che uno dei prossimi passi è sviluppare un processo migliore per rivestire le nanopiastre con carbonio, che dovrebbe migliorare la conduttività.

Sebbene il fosfato di litio-manganese sia attraente perché immagazzina più energia del fosfato di litio-ferro, entrambi occupano una quantità relativamente grande di volume rispetto ad altri tipi di elettrodi per batterie agli ioni di litio. Jeff Dahn, professore di fisica e chimica alla Dalhousie University, afferma che ciò potrebbe renderli più attraenti per le applicazioni stazionarie, come l'immagazzinamento di energia sulla rete elettrica per aiutare a ridurre la variabilità delle fonti rinnovabili, rispetto ai veicoli elettrici.

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