Batterie agli ioni di litio più efficienti

Un team di ingegneri ha creato batterie agli ioni di litio a maggiore densità energetica per applicazioni di energia rinnovabile.

Le batterie agli ioni di litio (Lithium-ion batteries - LIBs) che funzionano come fonti di alimentazione ad alte prestazioni per applicazioni rinnovabili, come veicoli elettrici ed elettronica di consumo, richiedono elettrodi che forniscano un'elevata densità di energia senza compromettere la durata delle celle.

Nel Journal of Vacuum Science and Technology A, (1) di AIP Publishing, i ricercatori indagano sulle origini del degrado nei materiali catodici LIB ad alta densità di energia e sviluppano strategie per mitigare tali meccanismi di degradazione e migliorare le prestazioni LIB.

La loro ricerca potrebbe essere preziosa per molte applicazioni emergenti, in particolare veicoli elettrici e accumulo di energia a livello di rete per fonti di energia rinnovabile, come l'eolico e il solare.

«La maggior parte dei meccanismi di degradazione nelle LIBs (Lithium-ion batteries) si verificano sulle superfici degli elettrodi che sono a contatto con l'elettrolita», ha detto l'autore Mark C. Hersam. (2) «Abbiamo cercato di comprendere la chimica di queste superfici e quindi sviluppare strategie per ridurre al minimo il degrado».

I ricercatori hanno utilizzato la caratterizzazione chimica della superficie come strategia per identificare e ridurre al minimo le impurità residue di idrossido e carbonato dalla sintesi di nanoparticelle NCA (nichel, cobalto, alluminio). Si sono resi conto che le superfici del catodo LIB dovevano prima essere preparate mediante una ricottura adeguata, un processo mediante il quale le nanoparticelle catodiche vengono riscaldate per rimuovere le impurità superficiali e quindi bloccate nelle strutture desiderabili con un rivestimento di grafene atomicamente sottile.

Le nanoparticelle NCA rivestite di grafene, che sono state formulate in catodi LIB, hanno mostrato proprietà elettrochimiche superlative, tra cui bassa impedenza, prestazioni ad alta velocità, alta energia volumetrica e densità di potenza e cicli di vita lunghi. Il rivestimento in grafene funge anche da barriera tra la superficie dell'elettrodo e l'elettrolita, migliorando ulteriormente la durata della cella.

Sebbene i ricercatori pensassero che il rivestimento in grafene da solo sarebbe stato sufficiente per migliorare le prestazioni, i loro risultati hanno rivelato l'importanza della pre-ricottura dei materiali catodici al fine di ottimizzare la loro chimica superficiale prima dell'applicazione del rivestimento in grafene.

Sebbene questo lavoro si concentri sui catodi LIB ricchi di nichel, la metodologia potrebbe essere generalizzata ad altri elettrodi per l'accumulo di energia, come le batterie agli ioni di sodio o agli ioni di magnesio, che incorporano materiali nanostrutturati con un'elevata area superficiale. Di conseguenza, questo lavoro stabilisce un chiaro percorso per la realizzazione di dispositivi di accumulo di energia ad alte prestazioni basati su nanoparticelle.

«Il nostro approccio può essere applicato anche per migliorare le prestazioni degli anodi nelle LIB e nelle relative tecnologie di stoccaggio dell'energia», ha affermato Hersam. «In definitiva, è necessario ottimizzare sia l'anodo che il catodo per ottenere le migliori prestazioni possibili della batteria».

INFORMAZIONI SU American Institute of Physics (AVS)

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Riferimenti:

(1) Enhancing nanostructured nickel-rich lithium-ion battery cathodes via surface stabilization

(2) Mark C. Hersam

(3) American Institute of Physics (AVS)

Descrizione foto: I ricercatori studiano le origini della degradazione nei materiali catodici LIB ad alta densità di energia e sviluppano strategie per mitigare tali meccanismi di degradazione e migliorare le prestazioni LIB. Figura 1: immagini al microscopio elettronico a scansione di NCA sintetizzato a diversi ingrandimenti. Figura 2: immagini al microscopio elettronico a trasmissione che mostrano la superficie delle particelle Gr-R-nNCA. - Credit: Jin-Myoung Lim and Norman S. Luu, Northwestern University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Creating Higher Energy Density Lithium-Ion Batteries for Renewable Energy Applications