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Il "padre fondatore" delle batterie agli ioni di litio aiuta a risolvere un problema persistente da 40 anni con la sua invenzione

2021-12-18

Il "padre fondatore" delle batterie agli ioni di litio ha utilizzato neutroni SNS per confermare il rivestimento del materiale catodico (blu) con ossido di niobio privo di litio (verde chiaro) per ridurre notevolmente la perdita di capacità nel primo ciclo e migliorare la capacità a lungo termine. Credito: Jill Hemman/ORNL

 

Alla fine degli anni '70, M. Stanley Whittingham è stato il primo a descrivere il concetto di batterie ricaricabili agli ioni di litio, un risultato per il quale avrebbe condiviso il Premio Nobel per la Chimica 2019. Eppure nemmeno lui avrebbe potuto prevedere le complesse sfide della scienza dei materiali che sarebbero sorte quando queste batterie sarebbero arrivate ad alimentare l'elettronica portatile del mondo.

 

Un problema tecnico persistente è che ogni volta che una nuova batteria agli ioni di litio viene installata in un dispositivo, fino a circa un quinto della sua capacità energetica viene perso prima che il dispositivo possa essere ricaricato la prima volta. Questo è vero se la batteria è installata in un laptop, fotocamera, orologio da polso o anche in un nuovo veicolo elettrico.

 

La causa sono le impurità che si formano sui catodi ricchi di nichel, il lato positivo (+) di una batteria attraverso il quale viene scaricata l'energia immagazzinata.

 

Per trovare un modo per mantenere la capacità perduta, Whittingham ha guidato un gruppo di ricercatori che includeva i suoi colleghi della State University di New York a Binghamton (SUNY Binghamton) e scienziati del Dipartimento di Energia (DOE) Brookhaven (BNL) e Oak Ridge National Laboratories (ORNL). Il team ha utilizzato raggi X e neutroni per verificare se il trattamento di un materiale catodico leader, un materiale stratificato di nichel-manganese-cobalto chiamato NMC 811, con un ossido di niobio privo di litio porterebbe a una batteria di maggiore durata.

 

I risultati dello studio, "Qual è il ruolo di Nb nei catodi di ossido stratificati ricchi di nichel per le batterie agli ioni di litio?" appaiono in ACS Energy Letters.

"Abbiamo testato NMC 811 su un materiale catodico di ossido stratificato dopo aver previsto che l'ossido di niobio privo di litio avrebbe formato un rivestimento nanometrico di ossido di niobio di litio sulla superficie che avrebbe condotto gli ioni di litio e avrebbe consentito loro di penetrare nel materiale del catodo", ha affermato Whittingham, ora un illustre professore della SUNY e direttore del Northeast Center for Chemical Energy Storage (NECCES), un centro di ricerca sulla frontiera energetica del DOE guidato da SUNY Binghamton.

 

Le batterie al litio hanno catodi costituiti da strati alternati di ossido di litio e materiali ricchi di nichel (composti chimici contenenti almeno un atomo di ossigeno), perché il nichel è relativamente poco costoso e aiuta a fornire una maggiore densità di energia e una maggiore capacità di stoccaggio a un costo inferiore rispetto ad altri metalli.

 

Ma il nichel nei catodi è relativamente instabile e quindi reagisce facilmente con altri elementi, lasciando la superficie del catodo ricoperta da impurità indesiderabili che riducono la capacità di accumulo della batteria del 10-18% durante il suo primo ciclo di carica-scarica. Il nichel può anche causare instabilità all'interno della struttura del catodo, che riduce ulteriormente la capacità di stoccaggio per lunghi periodi di carica e scarica.


Per capire in che modo il niobio influisce sui materiali catodici ricchi di nichel, gli scienziati hanno eseguito studi di diffrazione di polvere di neutroni presso il diffrattometro dei materiali ingegneristici VULCAN presso la Spallation Neutron Source (SNS) dell'ORNL. Hanno misurato i modelli di diffrazione dei neutroni di NMC 811 puro e campioni modificati con niobio.

 

"I neutroni sono penetrati facilmente nel materiale del catodo per rivelare dove si trovavano gli atomi di niobio e litio, il che ha fornito una migliore comprensione di come funziona il processo di modifica del niobio", ha affermato Hui Zhou, responsabile della struttura della batteria presso NECCES. "I dati sulla dispersione dei neutroni suggeriscono che gli atomi di niobio stabilizzano la superficie per ridurre la perdita del primo ciclo, mentre a temperature più elevate gli atomi di niobio spostano alcuni degli atomi di manganese più in profondità all'interno del materiale del catodo per migliorare la ritenzione della capacità a lungo termine."

 

I risultati dell'esperimento hanno mostrato una riduzione della perdita di capacità nel primo ciclo e una migliore ritenzione della capacità a lungo termine di oltre il 93% su 250 cicli di carica-scarica.

 

"I miglioramenti osservati nelle prestazioni elettrochimiche e nella stabilità strutturale rendono l'NMC 811 modificato con niobio un candidato come materiale catodico per l'uso in applicazioni a densità di energia più elevata, come i veicoli elettrici", ha affermato Whittingham. “La combinazione di un rivestimento di niobio con la sostituzione di atomi di niobio con atomi di manganese può essere un modo migliore per aumentare sia la capacità iniziale che la ritenzione della capacità a lungo termine. Queste modifiche possono essere facilmente ampliate utilizzando gli attuali processi di produzione a più fasi per i materiali NMC.â

 

Whittingham ha aggiunto che la ricerca supporta gli obiettivi delConsorzio Battery500, un programma multi-istituto guidato dal Pacific Northwest National Laboratory del DOE per l'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Il programma sta lavorando per sviluppare celle della batteria al litio-metallo di nuova generazione che forniscano fino a 500 wattora per chilogrammo rispetto all'attuale media di circa 220 wattora per chilogrammo.

 

Riferimento: "Qual è il ruolo di Nb nei catodi a strati di ossido di nichel per batterie agli ioni di litio?" di Fengxia Xin, Hui Zhou, Yanxu Zong, Mateusz Zuba, Yan Chen, Natasha A. Chernova, Jianming Bai , Ben Pei, Anshika Goel, Jatinkumar Rana, Feng Wang, Ke An, Louis F. J. Piper, Guangwen Zhou e M. Stanley Whittingham, 18 marzo 2021, ACS Energy Letters.
DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00190

 

La ricerca è stata supportata dall'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office e ha utilizzato risorse presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di BNL e la Spallation Neutron Source di ORNL.

 

SNS e NSLS-II sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science. UT-Battelle LLC gestisce ORNL per il DOE Office of Science. L'Office of Science è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.