Recentemente, si sono verificati numerosi incendi con batterie di veicoli elettrici (EV), a differenza delle batterie utilizzate nei piccoli dispositivi mobili, come gli smartphone, il pacco batteria di un veicolo elettrico è composto da centinaia di celle della batteria e qualsiasi instabilità può causare gravi danni e vittime. I ricercatori coreani per individuare la causa degli incendi delle batterie hanno sviluppato un nuovo metodo di analisi per valutare la stabilità termica delle batterie dei veicoli elettrici.
Il gruppo di ricerca presso il Korea Institute of Science and Technology (KIST) guidato da Wonyoung Chang del KIST Center for Energy Storage Research e Seung Min Kim del Carbon Composite Materials Research Center della filiale di Jeonbuk ha costruito una piattaforma di analisi per valutare la stabilità termica del materiale catodico di una batteria utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione, attraverso il quale è stato possibile individuare il meccanismo di degradazione termica in funzione dei cambiamenti nella composizione chimica del materiale catodico ad alto contenuto di nichel per veicoli elettrici.
Il materiale del catodo di una batteria EV è uno dei fattori chiave che determinano la capacità della batteria e quindi l’autonomia. Il catodo è prodotto mescolando vari metalli come nichel, cobalto e alluminio o nichel, manganese e cobalto secondo il rapporto di miscelazione designato. I ricercatori di aziende e circoli accademici stanno cercando di trovare un rapporto di composizione appropriato per aumentare la gamma di guida di EV.
Il materiale del catodo contiene nichel, vi è una correlazione positiva tra il contenuto di nichel e la capacità. Inoltre, poiché il nichel è relativamente più economico del cobalto, l’aggiunta di più nichel riduce il costo unitario di una batteria EV. Tuttavia, una debolezza fatale del nichel è che riduce la stabilità della batteria poiché reagisce facilmente all’ambiente esterno; nel caso del materiale catodico utilizzato per i veicoli elettrici di terza generazione, attualmente in fase di sviluppo, il contenuto di nichel è stato aumentato all’80% o superiore, il conseguente deterioramento della stabilità deve essere migliorato per garantire la sicurezza.
Gli incendi delle batterie sono innescati principalmente da una violenta reazione esotermica tra il materiale catodico a base di ossido carico e gli elettroliti liquidi infiammabili. Il team di ricerca del KIST pertanto si è concentrato sulla superficie del catodo a contatto con gli elettroliti, ha applicato una varietà di metodi di microscopia elettronica a trasmissione (spettroscopia di perdita di energia elettronica, diffrazione elettronica, ecc.) per l’osservazione e l’analisi ravvicinata della struttura cristallina del catodo e dei cambiamenti chimici nei costituenti derivanti da un aumento di temperatura. Conseguentemente è stato possibile identificare la causa della ridotta stabilità termica della batteria in base alla composizione chimica del materiale del catodo NCA (nichel, cobalto, alluminio) e al ruolo degli elementi costitutivi per garantire la sicurezza della batteria.
Il team di ricerca KIST ha studiato se un aumento del nichel rispetto al contenuto di alluminio nel materiale del catodo NCA migliora la capacità della batteria, ha scoperto che riduce significativamente la stabilità termica nel limite di carica superiore (reazione del 67% degli ioni di litio totali). L’analisi ha mostrato che la mancanza di alluminio che partecipa alla reazione di ossidoriduzione o redox (in chimica, indica tutte quelle reazioni chimiche in cui cambia il numero di ossidazione degli atomi, cioè in cui si ha un passaggio di elettroni da una specie chimica ad un’altra), ha portato alla formazione di una nuova fase (fase O1) che può ridurre la stabilità termica durante il processo di carica. La superficie della nuova fase instabile è risultata essere la causa ultima della ridotta stabilità termica.
Wonyoung Chang del KIST ha dichiarato:
«Ci sono stati una serie di incendi di veicoli elettrici in tutto il mondo, e la fonte dell’incendio, in molti casi, è stata la batteria, questo studio ha confermato l’importanza di un modello di composizione chimica che assicura la stabilità termica nello sviluppo di materiali catodici ad alte prestazioni».
Seung Min Kim della filiale di Jeonbuk del KIST in conclusione ha detto:
«Garantire la stabilità termica del materiale catodico dove iniziano le reazioni esotermiche è la chiave per rendere popolari i veicoli elettrici. Le tecniche di analisi avanzate sviluppate in questo studio aiuteranno a determinare gli effetti degli elementi in tracce, a loro volta portano allo sviluppo di materiali catodici ad alte prestazioni che sono garantiti per essere sicuri».