Un gruppo di ricerca guidato dal professor Jihyun Hong dell’Istituto dei materiali ferrosi ed ecologici di POSTECH ha sviluppato una strategia innovativa per migliorare la sostenibilità dei materiali ricchi di litio. Questo lavoro, svolto in collaborazione con il dottor Gukhyun Lim, offre prospettive promettenti per le batterie agli ioni di litio (LIB) di prossima generazione. I risultati, pubblicati sulla rivista Scienze energetiche e ambientalisegnano un punto di svolta nell'ottimizzazione delle prestazioni del catodo.
Le batterie al centro delle moderne tecnologie
Le batterie agli ioni di litio sono diventate indispensabili nei veicoli elettrici e nei sistemi di accumulo dell’energia (ESS). Il materiale ricco di litio, noto come ossido stratificato ricco di litio (LLO), si distingue per una densità di energia fino al 20% superiore a quella dei tradizionali catodi a base nichel. Questo materiale riduce l'uso di metalli costosi come nichel e cobalto, a favore di componenti più accessibili come litio e manganese. Questa alternativa più economica e sostenibile sta suscitando un crescente interessema limitazioni tecniche ne ostacolano ancora l'adozione commerciale.
Le sfide tecniche di LLO
Nonostante i suoi vantaggi, il LLO soffre di a perdita di capacità e degradazione della tensione durante i cicli di carica-scaricacompromettendone così l'affidabilità a lungo termine. Precedenti ricerche hanno identificato le trasformazioni strutturali nel catodo come il principale fattore di instabilità. Tuttavia, i meccanismi sottostanti sono rimasti poco esplorati, rendendo le soluzioni esistenti inefficaci nel risolvere questi problemi in modo sostenibile.
Un approccio centrato sull’ossigeno
Il team POSTECH ha concentrato il proprio lavoro sul ruolo chiave dell'emissione di ossigeno, che indebolisce la struttura dell'LLO durante i cicli di carica-scarica. I ricercatori hanno ipotizzato che sia meglio stabilità chimica dell'interfaccia catodo-elettrolita potrebbe limitare questa emissione. Sulla base di questa ipotesi, hanno modificato la composizione dell'elettrolita per rafforzare questa interfaccia critica. Risultato: una significativa riduzione delle emissioni di ossigeno.
Prestazioni notevolmente migliorate
I risultati sperimentali confermano i grandi progressi apportati da questo nuovo elettrolita. Dopo 700 cicli di carica-scarica, la ritenzione di energia ha raggiunto l'84,3%, rispetto al solo 37,1% degli elettroliti convenzionali dopo 300 cicli.. Questo miglioramento rappresenta un notevole progresso in termini di durata e prestazioni della batteria.
Crediti: POSTECH
Una conoscenza approfondita delle superfici catodiche
I ricercatori hanno anche osservato che le trasformazioni sulla superficie del materiale LLO hanno avuto un impatto diretto sulla sua stabilità complessiva. Utilizzando la radiazione di sincrotrone, sono stati in grado di analizzare le differenze chimiche e strutturali tra la superficie e l'interno delle particelle catodiche. Questo studio ha evidenziato l'importanza della stabilità superficiale per limitare le reazioni indesiderate, come la decomposizione dell'elettrolita.
Verso una nuova generazione di batterie
Secondo il professor Jihyun Hong, “Questo lavoro offre strade promettenti per lo sviluppo di materiali catodici di prossima generazione. » Integrando un'analisi precisa delle interazioni chimiche e l'ottimizzazione della composizione dell'elettrolita, questa ricerca apre la strada a batterie più efficienti e durevoli, adatte alle esigenze delle moderne tecnologie.
Supporto e prospettive
Questo progresso è stato realizzato grazie al sostegno del Ministero del Commercio, dell’Industria e dell’Energia, nonché del Ministero della Scienza e dell’ICT della Corea del Sud. I finanziamenti per il 2024, stanziati dal Fondo nazionale per la ricerca, hanno svolto un ruolo decisivo in questo progresso.
L'innovazione guidata dal team POSTECH rappresenta un passo decisivo nel miglioramento delle batterie agli ioni di litio. Risolvendo problemi strutturali critici, questa ricerca fornisce un'alternativa duratura e ad alte prestazioni ai catodi tradizionali. Questi progressi tecnologici consentiranno di soddisfare le crescenti richieste dei settori dei veicoli elettrici e dei sistemi di accumulo dell’energia, nel rispetto dei vincoli economici e ambientali.
Fonte dell'articolo: http://dx.doi.org/10.1039/D4EE02329C
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