Negli ultimi dieci anni, il salgemma caotico è stato studiato come potenziale materiale catodico da utilizzare nelle batterie agli ioni di litio e come chiave per creare depositi di energia a basso costo e ad alta energia per qualsiasi cosa, dai telefoni cellulari ai veicoli elettrici allo stoccaggio di energia rinnovabile.
Un nuovo studio condotto dal Massachusetts Institute of Technology conferma che il materiale mantiene questa promessa.
Guidato da Joe Li, professore di ingegneria nucleare e professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Tokyo Electric Power Company, un team di ricercatori ha descritto una nuova classe di catodi di salgemma parzialmente irregolari integrati con polianioni, chiamati polianioni di spinello di salgemma irregolare, o DRXPS. — Che fornisce un’elevata densità di potenza ad alta tensione con una stabilità del ciclo notevolmente migliorata.
“Di solito esiste un equilibrio tra densità di energia e stabilità del ciclo nei materiali catodici… Con questo lavoro, miriamo a “oltrepassare i confini progettando nuove chimiche catodiche”. Un articolo che descrive il lavoro è pubblicato oggi in L’energia della natura“Questa famiglia di materiali ha un’elevata densità di energia e una buona stabilità del ciclo perché combina due tipi principali di materiali catodici, salgemma e peridoto polianionico, quindi presenta i vantaggi di entrambi”.
La cosa più importante, aggiunge Lee, è che la nuova famiglia di materiali è costituita principalmente da manganese, un elemento abbondante sulla Terra che è significativamente meno costoso di elementi come nichel e cobalto, comunemente usati oggi nei catodi.
“Il manganese è almeno cinque volte più economico del nichel e circa 30 volte più economico del cobalto”, afferma Lee. “Il manganese è anche una delle chiavi per raggiungere densità di energia più elevate, quindi avere questo materiale in maggiore abbondanza nel terreno è un’enorme opportunità. vantaggio.”
Un potenziale percorso per le infrastrutture per le energie rinnovabili
Questo vantaggio sarà fondamentale, scrivono Lee e i suoi colleghi, poiché il mondo cerca di costruire le infrastrutture di energia rinnovabile necessarie per un futuro a basse o zero emissioni di carbonio.
Le batterie rappresentano una parte particolarmente importante in questo quadro, non solo per il loro potenziale di decarbonizzazione dei trasporti con auto, autobus e camion elettrici, ma anche perché saranno necessarie per affrontare i problemi di intermittenza dell’energia eolica e solare immagazzinando l’energia in eccesso, per poi restituirla alla rete di notte o nei giorni tranquilli, quando la produzione rinnovabile è bassa.
Dato il costo elevato e la relativa scarsità di materiali come il cobalto e il nichel, scrivono i ricercatori, gli sforzi per aumentare rapidamente la capacità di stoccaggio dell’elettricità porteranno probabilmente a significativi aumenti dei costi e a carenze di materiali potenzialmente significative.
“Se vogliamo raggiungere una vera elettrificazione nella produzione di energia, nei trasporti, ecc., abbiamo bisogno di abbondanti batterie a livello del suolo per immagazzinare energia fotovoltaica ed eolica intermittente”, afferma Lee. “Credo che questo sia un passo verso la realizzazione di quel sogno”.
Gerbrand Seder, capo della ricerca sulle nanoscienze e sulle nanotecnologie presso Samsung e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley, condivide questo punto di vista.
“Le batterie agli ioni di litio sono una parte essenziale della transizione verso l’energia pulita. La loro continua crescita e il calo dei prezzi dipendono dallo sviluppo di materiali catodici economici e ad alte prestazioni realizzati con materiali abbondanti sulla Terra, come dimostrato in questo lavoro”, afferma Sider.
Superare gli ostacoli nei materiali esistenti
Il nuovo studio affronta una delle principali sfide che devono affrontare i catodi irregolari del salgemma: il movimento dell’ossigeno.
Sebbene questi materiali siano noti da tempo per la loro capacità di offrire una capacità molto elevata – fino a 350 mAh per grammo – rispetto ai tradizionali materiali catodici, che tipicamente hanno una capacità compresa tra 190 e 200 mAh per grammo, non sono molto stabili.
Il processo redox con ossigeno contribuisce in parte all’aumento della capacità, che si attiva quando il catodo viene caricato con un’alta tensione. Ma quando ciò accade, l’ossigeno diventa mobile, provocando reazioni con l’elettrolita e degradazione del materiale, fino a renderlo inutilizzabile dopo un lungo ciclo.
Per superare queste sfide, Huang ha aggiunto un altro elemento – il fosforo – che agisce essenzialmente come una colla, trattenendo l’ossigeno per mitigare la decomposizione.
“L’innovazione principale qui, e la teoria alla base del progetto, è che Yiming ha aggiunto la giusta quantità di fosforo e ha formato quelli che vengono chiamati poliioni con i loro atomi di ossigeno vicini, in una struttura di salgemma priva di cationi che potrebbero stabilizzarli”, Li dice. “Ciò ci consente di fermare il trasporto dell’ossigeno in fuga a causa del forte legame covalente tra fosforo e ossigeno… il che significa che possiamo utilizzare la capacità dell’ossigeno, ma anche ottenere una buona stabilità.”
La capacità di caricare le batterie a tensioni più elevate è fondamentale perché consente ai sistemi più semplici di gestire l’energia che immagazzinano, afferma Lee.
“Possiamo dire che la qualità dell’energia è migliore”, afferma. “Maggiore è la tensione per cella, minore è la necessità di collegarle in serie nel pacco batteria e più semplice diventa il sistema di gestione della batteria.”
Indicare la strada per gli studi futuri
Sebbene il materiale catodico descritto nello studio possa avere un impatto trasformativo sulla tecnologia delle batterie agli ioni di litio, ci sono ancora molte strade per studi futuri.
Un’area di studio futuro, afferma Huang, riguarda gli sforzi per esplorare nuovi modi di produrre materiali, soprattutto per quanto riguarda considerazioni sulla forma e sulla scalabilità.
“Attualmente utilizziamo la macinazione a sfere ad alta energia per la sintesi meccanochimica e… la forma risultante non è uniforme e ha una dimensione media delle particelle piccola (circa 150 nm). Anche questo metodo non è completamente scalabile”, afferma. “Stiamo cercando di ottenere una forma più uniforme con particelle di dimensioni maggiori utilizzando alcuni metodi di sintesi alternativi, che ci consentiranno di aumentare la densità energetica volumetrica del materiale e potrebbero permetterci di esplorare alcuni metodi di rivestimento… che potrebbero migliorare ulteriormente la batteria Naturalmente, dovrebbe essere “I metodi futuri sono scalabili a livello industriale”.
Dice che il materiale non strutturato del salnitro non è un buon conduttore di per sé, quindi vengono aggiunte grandi quantità di carbonio – fino al 20% del peso della pasta catodica – per migliorarne la conduttività. Se il team riuscisse a ridurre il contenuto di carbonio dell’elettrodo senza sacrificare le prestazioni, ci sarà un contenuto più elevato di materiale attivo nella batteria, con conseguente maggiore densità energetica pratica.
“In questo articolo abbiamo utilizzato solo il Super P, che è un tipico carbonio conduttivo composto da nanosfere, ma non è molto efficiente”, afferma Huang. “Stiamo ora esplorando l’uso di nanotubi di carbonio, che possono ridurre il contenuto di carbonio solo l’1 o il 2% del peso, il che potrebbe permetterci di aumentare significativamente la quantità di materiale catodico attivo”.
Oltre a ridurre il contenuto di carbonio, realizzare elettrodi più spessi è un altro modo per aumentare la densità energetica pratica di una batteria, aggiunge. Questa è un’altra area di ricerca su cui il team sta lavorando.
“Questo è solo l’inizio della ricerca DRXPS, poiché abbiamo esplorato solo alcune delle sostanze chimiche all’interno del suo vasto spazio compositivo”, aggiunge “Possiamo giocare con diversi rapporti di litio, manganese, fosforo e ossigeno e con diverse combinazioni di altri elementi poliionici come boro, silicio e zolfo”.
Dice che grazie a composizioni migliorate, metodi di montaggio più scalabili, una forma migliore che consente rivestimenti uniformi, un contenuto di carbonio inferiore ed elettrodi più spessi, la famiglia di catodi DRXPS è molto promettente nei veicoli elettrici e nelle applicazioni di stoccaggio in rete, e forse anche nei consumi. elettronica, dove la densità energetica volumetrica è molto importante.
Questo lavoro è stato sostenuto dai finanziamenti dell’Honda Research Institute statunitense e della Molecular Foundry presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e ha utilizzato risorse del National Synchrotron Light Source II presso il Brookhaven National Laboratory e dell’Advanced Photon Source presso l’Argonne National Laboratory.
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