Estendere la durata della batteria dei veicoli elettrici

Gli scienziati hanno creato una tecnologia di sintesi monocristallina che estende significativamente la durata di vita dei materiali catodici per le applicazioni elettriche dei veicoli

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Kyu-Young Park (1) del Graduate Institute of Ferrous & Eco Materials Technology e dal Dipartimento di Scienza e ingegneria dei materiali e da Kyoung Eun Lee, una dottorando, e dall'alunna Yura Kim del Graduate Institute of Ferrous & Eco Materials Technology presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Pohang (POSTECH), in collaborazione con POSCO Holdings N.EX.T Hub, ha recentemente dimostrato una tecnologia di sintesi monocristallina che estende significativamente la durata di vita dei materiali catodici per applicazioni elettriche dei veicoli. Questa ricerca è stata pubblicata nell’edizione online di ACS Materials & Interfaces (2), una rivista internazionale nel campo della scienza dei materiali.

Le batterie secondarie al litio (Li), comunemente utilizzate nei veicoli elettrici, immagazzinano energia convertendo l'energia elettrica in energia chimica e generando elettricità per rilasciare energia chimica in energia elettrica attraverso il movimento degli ioni di litio tra un catodo e un anodo. Queste batterie secondarie utilizzano principalmente materiali catodici in nichel (Ni) a causa della loro elevata capacità di stoccaggio degli ioni di litio. I materiali tradizionali a base di nichel hanno una morfologia policristallina composta da molti minuscoli cristalli che possono subire un degrado strutturale durante la carica e la scarica, riducendone significativamente la durata.

Un approccio per affrontare questo problema è produrre il materiale catodico in un modulo “monocristallo”, ovvero una struttura in cui tutti gli atomi sono disposti in modo regolare per formare un cristallo completo. Questa struttura è particolarmente adatta per dispositivi di accumulo di energia ad alte prestazioni come le batterie dei veicoli elettrici grazie alla sua eccellente resistenza, proprietà elettriche e durata.

La creazione di materiali catodici a base di nichel come singole particelle di grandi dimensioni, o “cristalli singoli”, può migliorarne la stabilità strutturale, quella chimica e la durata. È noto che i materiali monocristallini vengono sintetizzati ad alte temperature e diventano rigidi. Tuttavia, l’esatto processo di indurimento durante la sintesi e le condizioni specifiche in cui ciò avviene rimangono poco chiari.

Per migliorare la durabilità dei materiali catodici di nichel per i veicoli elettrici, i ricercatori si sono concentrati sull’identificazione di una temperatura specifica, denominata “temperatura critica”, alla quale vengono sintetizzati materiali monocristallini di alta qualità. Hanno studiato varie temperature di sintesi per determinare le condizioni ottimali per la formazione di cristalli singoli nella sintesi di un materiale catodico a base di nichel N884 (materiale catodico a base di nichel LiNi0.88Mn0.08Co0.04O2). Il team ha osservato sistematicamente l'impatto della temperatura sulla capacità del materiale e sulle prestazioni a lungo termine.

I ricercatori hanno scoperto che i materiali policristallini convenzionali sintetizzati al di sotto di una certa temperatura critica sono soggetti a degradazione con l'uso prolungato nelle batterie secondarie. Tuttavia, quando sintetizzati al di sopra di questa temperatura critica, è possibile produrre facilmente cristalli singoli di alta qualità, ottenendo materiali con una longevità superiore.

Ciò è dovuto a un processo chiamato “densificazione” (questo processo avviene ad alte temperature in cui gli spazi vuoti interni vengono ridotti, facendo sì che le particelle si avvicinino tra loro e dando luogo a una struttura più dura e densa) che si verifica al di sopra di una certa temperatura critica. Durante questo processo, la granulometria interna del materiale aumenta e gli spazi vuoti all'interno del materiale vengono densamente riempiti. I cristalli singoli densificati sono estremamente duri e resistenti alla degradazione per periodi prolungati, migliorando significativamente la loro durata. Sulla base di questi risultati, il team ha confermato che sintetizzare singoli cristalli al di sopra della temperatura critica è una strategia di progettazione dei materiali più vantaggiosa. Hanno inoltre proposto un metodo efficace per sintetizzare materiali monocristallini di alta qualità.

Il professor Kyu-Young Park di POSTECH ha dichiarato: «Abbiamo introdotto una nuova strategia di sintesi per migliorare la durabilità dei materiali catodici a base di nichel». Ha aggiunto: «Continueremo la nostra ricerca per rendere le batterie secondarie per i veicoli elettrici più economiche, più veloci e più durature».

La ricerca è stata condotta con il sostegno di POSCO Holdings e del Programma di ricerca di base del Ministero della Scienza e delle ICT.

Riferimenti:

(1) Kyu-Young Park

(2) Comparison Study of a Thermal-Driven Microstructure in a High-Ni Cathode for Lithium-Ion Batteries: Critical Calcination Temperature for Polycrystalline and Single-Crystalline Design

Descrizione foto: Schema dell'evoluzione della microstruttura di materiali catodici ad alto contenuto di nichel con temperatura di sintesi e una strategia per sintetizzare cristalli singoli a temperatura critica. - Credit: POSTECH.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Could High-Temperature Single Crystals Enable Electric Vehicles Capable of Traveling Up to One million Kilometers?