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Nuovo processo per la produzione di catodi ad alta tensione per batterie agli ioni di litio

2022-04-25

A cura dell'Università Tecnica di Monaco



La potenza in movimento è richiesta: maggiore è la capacità della batteria, maggiore è l'autonomia delle auto elettriche e maggiore è il tempo di funzionamento di telefoni cellulari e laptop. La dott.ssa Jennifer Ludwig dell'Università tecnica di Monaco (TUM) ha sviluppato un processo che consente una produzione rapida, semplice ed economica del promettente materiale catodico fosfato di cobalto di litio in alta qualità. La farmacia ha ricevuto l'Evonik Research Prize per il suo lavoro.

La speranza è rosa: la polvere che Jennifer Ludwig versa con cura in una ciotola di vetro e che si illumina di rosa alla luce della lampada da laboratorio ha il potenziale per migliorare significativamente le prestazioni delle future batterie. "Il fosfato di cobalto di litio può immagazzinare molta più energia rispetto ai materiali catodici convenzionali", spiega il chimico.

Lavorando nel gruppo di Tom Nilges, capo della cattedra di sintesi e caratterizzazione di materiali innovativi, il chimico ha sviluppato un processo per produrre la polvere rosa in modo rapido, con quantità minime di energia e della massima qualità.

I ricercatori delle batterie considerano da tempo il fosfato di cobalto di litio un materiale del futuro. Funziona a tensioni più elevate rispetto al fosfato di ferro e litio tradizionalmente impiegato e quindi raggiunge una densità di energia più elevata: 800 wattora per chilogrammo invece di poco meno di 600 wattora.

Processo precedente: costoso e ad alta intensità energetica

In precedenza, tuttavia, la produzione del promettente materiale catodico ad alta tensione richiedeva un processo molto complesso, ad alta intensità energetica e inefficiente in condizioni difficili con temperature di 800 °C. "E i cristalli che si formano in queste condizioni variano di dimensioni e devono essere macinati in polvere nanocristallina in una seconda fase di produzione ad alta intensità energetica", riferisce Ludwig.



Inoltre, i cristalli risultanti mostrano una sufficiente conduttività ionica in una sola direzione. Su gran parte della superficie, la reazione chimica tra il materiale dell'elettrodo e l'elettrolita nelle batterie procede molto lentamente.

Cristalli su misura

Il processo di sintesi a microonde sviluppato da Jennifer Ludwig risolve tutti questi problemi in una volta: per ottenere il fosfato di cobalto di litio di alta qualità richiede solo un forno a microonde e 30 minuti di tempo.

I reagenti vengono posti in un contenitore di teflon insieme ad un solvente e quindi vengono riscaldati. Sono sufficienti solo 600 W per raggiungere i 250 °C necessari per stimolare la formazione dei cristalli.

Le piastrine piatte create nel processo misurano meno di un micrometro di diametro e hanno uno spessore di poche centinaia di nanometri, con l'asse di massima conducibilità orientato verso la superficie. "Questa forma garantisce migliori prestazioni elettrochimiche perché gli ioni di litio devono spostarsi solo per brevi distanze all'interno dei cristalli", spiega Ludwig.



eering la reazione

La chimica è stata anche in grado di risolvere un altro problema nel corso dei suoi esperimenti: a temperature superiori a 200 °C e ad alta pressione, al posto del desiderato fosfato di cobalto di litio si forma occasionalmente un composto idrogeno fosfato di cobalto complesso finora sconosciuto.

Jennifer Ludwig è riuscita a chiarire il meccanismo di reazione, isolando il composto e determinandone la struttura e le proprietà. Poiché il nuovo composto non è adatto come materiale per batterie, ha modificato la reazione in modo da produrre solo il fosfato di cobalto di litio desiderato.

"Con questo nuovo processo di produzione, ora possiamo creare cristalli di fosfato di cobalto di litio a forma di piastrine con proprietà personalizzate di alta qualità", afferma il professor Nilges. "Così, è stato preso un ulteriore ostacolo sulla strada per nuovi materiali ad alta tensione".