Il nuovo materiale dell'anodo potrebbe portare a una maggiore sicurezza

Gli scienziati della UC San Diego hanno scoperto un nuovo materiale anodico che consente di ricaricare in sicurezza le batterie agli ioni di litio in pochi minuti per migliaia di cicli. Conosciuto come salgemma disordinato, il nuovo anodo è costituito da atomi di litio, vanadio e ossigeno, abbondanti nella terra, disposti in modo simile al normale sale da cucina, ma in modo casuale. È promettente per le applicazioni commerciali in cui si desiderano sia un'elevata densità di energia che un'elevata potenza, come automobili elettriche, aspirapolvere o trapani.

Lo studio, condotto congiuntamente dai nanoingegneri nei laboratori dei professori Ping Liu e Shyue Ping Ong, è stato pubblicato su Nature il 2 settembre.

Attualmente, due materiali vengono utilizzati come anodi nella maggior parte delle batterie agli ioni di litio disponibili in commercio che alimentano oggetti come telefoni cellulari, laptop e veicoli elettrici. Il più comune, un anodo di grafite, è estremamente denso di energia: una batteria agli ioni di litio con un anodo di grafite può alimentare un'auto per centinaia di chilometri senza bisogno di essere ricaricata. Tuttavia, ricaricare un anodo di grafite troppo rapidamente può provocare incendi ed esplosioni a causa di un processo chiamato placcatura al litio. Un’alternativa più sicura, l’anodo al titanato di litio, può essere ricaricata rapidamente ma comporta una significativa diminuzione della densità di energia, il che significa che la batteria deve essere ricaricata più frequentemente.

Questo nuovo anodo di salgemma disordinato – Li3V2O5 – si trova in un’importante via di mezzo: è più sicuro da usare rispetto alla grafite, ma offre una batteria con almeno il 71% di energia in più rispetto al titanato di litio.

"La capacità e l'energia saranno leggermente inferiori rispetto alla grafite, ma è più veloce, più sicura e ha una durata più lunga. Ha una tensione molto più bassa e quindi una densità di energia molto migliore rispetto agli attuali anodi al titanato di litio a ricarica rapida commercializzati", ha affermato Haodong Liu, uno studioso post-dottorato nel laboratorio del professor Ping Liu e primo autore dell'articolo. "Quindi con questo materiale possiamo realizzare batterie sicure, a ricarica rapida e con una lunga durata, senza sacrificare troppo la densità energetica."

La struttura cristallina del salgemma disordinato -Li3V2O5. Le palline rosse rappresentano O, il tetraedro blu rappresenta Li nei siti tetraedrici e l'ottaedro verde rappresenta i siti ottaedrici condivisi Li/V

I ricercatori hanno formato una società chiamata Tyfast per commercializzare questa scoperta. I primi mercati della startup saranno gli autobus elettrici e gli utensili elettrici, poiché le caratteristiche del salgemma disordinato Li3V2O5 lo rendono ideale per l'uso in dispositivi in ​​cui la ricarica può essere facilmente programmata.

I ricercatori del laboratorio del professor Liu intendono continuare a sviluppare questo materiale per l'anodo di ossido di litio-vanadio, ottimizzando al tempo stesso altri componenti della batteria per sviluppare una cella completa commercialmente valida.

"Per molto tempo, la comunità delle batterie è stata alla ricerca di un materiale anodico che funzioni a un potenziale appena superiore alla grafite per consentire una ricarica rapida e sicura delle batterie agli ioni di litio. Questo materiale colma un'importante lacuna di conoscenza e applicazione", ha affermato Ping Liu. “Siamo entusiasti del suo potenziale commerciale poiché il materiale può essere una soluzione immediata per l’odierno processo di produzione delle batterie agli ioni di litio”.

Perché provare questo materiale?

I ricercatori hanno sperimentato per la prima volta il salgemma disordinato come catodo di una batteria sei anni fa. Da allora, è stato fatto molto lavoro per trasformare il materiale in un catodo efficiente. Haodong Liu ha detto che il team dell'UC San Diego ha deciso di testare il materiale come anodo basandosi su un'intuizione.

"Quando le persone lo usano come catodo devono scaricare il materiale a 1,5 volt", ha detto. "Ma quando abbiamo osservato la struttura del materiale del catodo a 1,5 volt, abbiamo pensato che questo materiale avesse una struttura speciale che potrebbe essere in grado di ospitare più ioni di litio, il che significa che può raggiungere una tensione ancora più bassa per funzionare come un anodo."

Nello studio, il team ha scoperto che il loro anodo di salgemma disordinato potrebbe ciclare in modo reversibile due ioni di litio a una tensione media di 0,6 V, superiore agli 0,1 V della grafite, eliminando la placcatura metallica del litio a un tasso di carica elevato che rende la batteria più sicura, ma inferiore agli 1,5 V a cui il titanato di litio intercala il litio, e quindi immagazzina molta più energia.