I ricercatori della Boise State University hanno sviluppato un nuovo metodo per realizzare nuovi materiali per le batterie agli ioni di litio. Il team di ricercatori partendo dall’ossido di niobo (materiale amorfo, privo di ordine a lungo raggio), ha scoperto che l’atto stesso di ciclare il materiale con il litio induce una trasformazione in un nuovo anodo cristallino Nb 2 O 5 con eccezionale accumulo di Li e cicli veloci. Potenzialmente questo processo può essere utilizzato per realizzare altri materiali per batterie agli ioni di litio che non possono essere facilmente realizzati con mezzi tradizionali.
Lo studio pubblicato nella rivista Nature Materials, è stato condotto congiuntamente dai ricercatori nei laboratori di Hui Claire Xiong (professore di scienza dei materiali e ingegneria alla Boise State University), e Shyue Ping Ong (professore di nanoingegneria all’Università della California di San Diego).
La scoperta di nuovi materiali per le batterie agli ioni di litio ha assunto una rinnovata urgenza per l’aumento dei prezzi del gas, la richiesta di più veicoli elettrici (EV) e batterie agli ioni di litio che li alimentano (purtroppo, queste batterie sono ancora troppo costose e si caricano lentamente).
Pete Barnes ricercatore presso il laboratorio di materiali energetici elettrochimici di Hui Claire Xiong, autore principale dello studio, ha affermato:
«Le batterie agli ioni di litio sono la tecnologia leader per il mercato delle batterie ricaricabili, ma c’è anche un aumento della richiesta di batterie ad alta energia e tempi di ricarica più rapidi. Se vuoi caricare il tuo veicolo elettrico per 15 minuti e poi metterti in viaggio per i prossimi 200 o 300 chilometri, hai bisogno di nuovi elettrodi della batteria che possano essere caricati a una velocità molto elevata senza troppa perdita di prestazioni».
I ricercatori hanno detto che l’anodo è uno dei maggiori colli di bottiglia alla ricarica delle odierne batterie agli ioni di litio. L’anodo più comune è costituito da grafite, è molto densa di energia, ma non può essere caricata troppo rapidamente a causa del rischio di incendi ed esplosioni dovute a un processo noto come placcatura al litio metallico. Gli ossidi metallici di intercalazione, come il materiale di salgemma Nb 2 O 5 scoperto dal team di ricercatori, sono promettenti alternative anodi collegate al ridotto rischio di placcatura del litio a basse tensioni.
Il team di ricercatori di Hui Claire Xiong per creare il nuovo materiale anodico, ha sviluppato una nuova tecnica innovativa chiamata “Trasformazione da amorfo a cristallino indotta elettrochimicamente”. Il nuovo elettrodo può raggiungere un’elevata capacità di accumulo di litio di 269 mAh/g con una velocità di carica di 20 mA/g e, aspetto più importante, continua a mantenere un’elevata capacità di 191 mAh/g con una velocità di carica elevata di 1 A/g.
Hui Claire Xiong ha affermato:
«L’aspetto più interessante di questo lavoro è la scoperta di un metodo completamente nuovo per creare nuovi elettrodi per batterie agli ioni di litio. Il trucco è partire da una fase energetica più elevata, come un materiale amorfo. Il semplice ciclo del materiale con il litio ci consente di creare nuove disposizioni cristalline che mostrano proprietà migliorate oltre a quelle realizzate con mezzi tradizionali come le reazioni allo stato solido».
Yunxing Zuo, ricercatore presso il Dipartimento di Nanoingegneria dell’Università della California, ha detto:
«L’eccezionale velocità di prestazione dell’anodo è dovuta alla sua struttura disordinata di salgemma o DRX, che è come il normale sale da cucina ma con gli atomi di Li e Nb disposti in modo casuale, mentre i materiali catodici DRX sono ben noti, gli anodi DRX sono relativamente rari. Utilizzando tecniche computazionali, abbiamo dimostrato che il processo di inserimento di Li in Nb 2 O 5 amorfo consente agli scienziati dei materiali di accedere a materiali metastabili».
Il team di ricercatori ha anche sviluppato una metrica per identificare altri ossidi metallici che potenzialmente possono essere sintetizzati in modo simile. I calcoli mostrano anche che la struttura DRX contiene percorsi per una rapida diffusione del litio, con conseguenti prestazioni ad alta velocità.
Il team di ricercatori in conclusione ha detto:
«Riteniamo che questo lavoro sia solo l’inizio di un modo completamente nuovo di pensare alla sintesi dei materiali. Agli atomi piace organizzarsi in determinati modi, quando produciamo materiali in modo tradizionale di solito otteniamo le stesse disposizioni, questo nuovo metodo apre una strada promettente per la creazione di altri ossidi metallici non convenzionali».
