Rivelato il meccanismo di degradazione delle batterie

Lo studio individua il modo in cui le molecole di idrogeno interferiscono con gli ioni di litio nella batteria, offrendo spunti che potrebbero portare a una tecnologia delle batterie più sostenibile e conveniente

L'autoscarica e gli effetti meccanici indotti chimicamente degradano il calendario e la vita del ciclo nei dispositivi di accumulo di energia elettrocromica ed elettrochimica basati sull'intercalazione. Nelle batterie ricaricabili agli ioni di litio, l'autoscarica nei catodi provoca nel tempo una perdita di tensione e capacità. Il modello prevalente di autoscarica è incentrato sulla diffusione degli ioni di litio dall'elettrolita al catodo. Le batterie perdono capacità nel tempo, motivo per cui i vecchi cellulari si scaricano più rapidamente. Questo fenomeno comune, tuttavia, non è completamente compreso.

Ora, un team internazionale di ricercatori, guidato da un ingegnere dell'University of Colorado Boulder, ha rivelato il meccanismo sottostante a tale degradazione delle batterie. La loro scoperta, che è stata pubblicata sulla rivista Science (1), potrebbe aiutare gli scienziati a sviluppare batterie migliori, che consentirebbero ai veicoli elettrici di percorrere più strada e durare più a lungo, e al contempo promuovere tecnologie di accumulo di energia che accelererebbero la transizione verso l'energia pulita.

«Stiamo contribuendo a far progredire le batterie agli ioni di litio scoprendo i processi a livello molecolare coinvolti nella loro degradazione», ha affermato il dottor Michael F.Toney (2), coautore corrispondente del documento e professore presso il Dipartimento di Ingegneria chimica e biologica. «Avere una batteria migliore è molto importante per spostare la nostra infrastruttura energetica dai combustibili fossili a fonti di energia più rinnovabili».

Gli ingegneri lavorano da anni alla progettazione di batterie agli ioni di litio, il tipo più comune di batterie ricaricabili, senza cobalto. Il cobalto è un minerale raro e costoso e il suo processo di estrazione è stato collegato a gravi preoccupazioni per l'ambiente e i diritti umani (3). Nella Repubblica Democratica del Congo, che fornisce più della metà del cobalto mondiale, molti minatori sono bambini.

Finora, gli scienziati hanno provato a utilizzare altri elementi come nichel e magnesio per sostituire il cobalto nelle batterie agli ioni di litio. Ma queste batterie hanno tassi di autoscarica ancora più elevati, ovvero quando le reazioni chimiche interne della batteria riducono l'energia immagazzinata e ne degradano la capacità nel tempo. A causa dell'autoscarica, la maggior parte delle batterie EV ha una durata di sette-dieci anni prima di dover essere sostituite.

Il dottor Toney, che è anche membro del Renewable and Sustainable Energy Institute, e il suo team hanno deciso di indagare sulla causa dell'autoscarica. In una tipica batteria agli ioni di litio, gli ioni di litio, che trasportano cariche, si spostano da un lato della batteria, chiamato anodo, all'altro lato, chiamato catodo, attraverso un mezzo chiamato elettrolita. Durante questo processo, il flusso di questi ioni carichi forma una corrente elettrica che alimenta i dispositivi elettronici. La carica della batteria inverte il flusso degli ioni carichi e li riporta all'anodo.

In precedenza, gli scienziati pensavano che le batterie si autoscaricassero perché non tutti gli ioni di litio tornavano all'anodo durante la carica, riducendo il numero di ioni carichi disponibili per formare la corrente e fornire energia.

Utilizzando l'Advanced Photon Source, una potente macchina a raggi X, presso l'Argonne National Laboratory (4) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti in Illinois, il team di ricerca ha scoperto che le molecole di idrogeno dall'elettrolita della batteria si spostavano verso il catodo e occupavano i punti a cui normalmente si legano gli ioni di litio. Di conseguenza, gli ioni di litio hanno meno punti a cui legarsi sul catodo, indebolendo la corrente elettrica e riducendo la capacità della batteria.

«Abbiamo scoperto che più litio si estrae dal catodo durante la carica, più atomi di idrogeno si accumulano sulla superficie», ha affermato Gang Wan (5), primo autore dello studio presso la Stanford University. «Questo processo induce l'autoscarica e provoca stress meccanico che può causare crepe nel catodo e accelerare la degradazione».

«I trasporti sono la principale fonte di gas serra generati negli Stati Uniti, rappresentando il 28% delle emissioni del paese nel 2021. Nel tentativo di ridurre le emissioni, molte case automobilistiche si sono impegnate ad abbandonare lo sviluppo di auto a benzina per produrre invece più veicoli elettrici. Ma i produttori di veicoli elettrici devono affrontare una serie di sfide, tra cui autonomia di guida limitata, costi di produzione più elevati e durata della batteria più breve rispetto ai veicoli convenzionali. Nel mercato statunitense, una tipica auto completamente elettrica può percorrere circa 250 miglia con una singola carica, circa il 60% di un'auto a benzina. Il nuovo studio ha il potenziale per affrontare tutti questi problemi», ha affermato Toney.

«Tutti i consumatori desiderano auto con un'ampia autonomia di guida. Alcune di queste batterie a basso contenuto di cobalto possono potenzialmente offrire un'autonomia di guida più elevata, ma dobbiamo anche assicurarci che non si rompano in un breve lasso di tempo», ha affermato, osservando che la riduzione del cobalto può anche ridurre i costi e affrontare le preoccupazioni relative ai diritti umani e alla giustizia energetica.

Con una migliore comprensione del meccanismo di autoscarica, gli ingegneri possono esplorare alcuni modi per prevenire il processo, come rivestire il catodo con un materiale speciale per bloccare le molecole di idrogeno o utilizzare un elettrolita diverso.

«Ora che abbiamo capito cosa sta causando il degrado delle batterie, possiamo informare la comunità della chimica delle batterie su ciò che deve essere migliorato durante la progettazione delle batterie», conclude Toney.

Altri coautori dello studio sono stati Oleg Borodin, Travis Pollard e Marshall Schroeder del DEVCOM Army Research Laboratory, Chia-Chin Chen del National Taiwan University, Zihua Zhu e Yingge Du del Pacific Northwest National Laboratory, e Ye Zhang dell'University of Houston.

Riferimenti:

(1) Solvent-mediated oxide hydrogenation in layered cathodes

(2) Michael F.Toney

(3) For Your Phone and EV, a Cobalt Supply Chain to a Hell on Earth

(4) Argonne National Laboratory

(5) Gang Wan

Descrizione foto: Michael Toney e il suo team hanno testato le celle a bottone delle batterie agli ioni di litio per la perdita di capacità nel tempo. - Credit: Jesse Peterson/CU Boulder.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Discovery could lead to longer-lasting EV batteries, hasten energy transition