Durata ed efficienza delle batterie per veicoli elettrici: potremmo essere all'alba di una rivoluzione
Il team di ricercatori dell’Università di Scienza e Tecnologia di Pohang (POSTECH), guidato dal Professore Kyu-Young Park, ha realizzato un importante progresso nella tecnologia delle batterie per veicoli elettrici . In collaborazione con il candidato dottorato Kyoung Eun Lee, l’ex studentessa Yura Kim e il POSCO Holdings N.EX.T Hub, hanno sviluppato una tecnologia di sintesi di materiali catodici a singolo cristallo basati su nichel, che mostra un notevole miglioramento in termini di durata e efficienza .
Pubblicato sulla rivista internazionale ACS Materials & Interfaces, il loro lavoro si concentra sulla determinazione della temperatura critica necessaria per la sintesi di cristalli singoli robusti, che contribuisce a produrre batterie più durevoli ed efficienti .
Le batterie al litio (Li) secondarie, comunemente impiegate nei veicoli elettrici, immagazzinano energia convertendo l’energia elettrica in energia chimica e viceversa attraverso il movimento degli ioni di litio tra catodo e anodo. Queste batterie utilizzano principalmente materiali catodici a base di nichel (Ni) a causa della loro elevata capacità di stoccaggio degli ioni di litio. I materiali tradizionali a base di nichel presentano una morfologia policristallina, composta da molti piccoli cristalli che possono subire degradazioni strutturali durante le fase di carica e scarica, riducendo significativamente la loro vita utile .
Un approccio per affrontare questo problema è produrre il materiale catodico in forma di “ singolo cristallo ”. Creare materiali catodici a base di nichel come singole grandi particelle, o “cristalli singoli”, può migliorare la loro stabilità strutturale e chimica. È noto che i materiali a singolo cristallo sono sintetizzati ad alte temperature e diventano rigidi. Tuttavia, il processo esatto di indurimento durante la sintesi e le condizioni specifiche in cui ciò si verifica non erano chiare fino a ora.
Per migliorare la durabilità dei materiali catodici a base di nichel per i veicoli elettrici, i ricercatori hanno identificato una temperatura specifica, definita “ temperatura critica ”, alla quale vengono sintetizzati materiali a singolo cristallo di alta qualità. Hanno investigato 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). Il team ha sistematicamente osservato l’impatto della temperatura sulla capacità e sulle prestazioni a lungo termine del materiale.
Hanno scoperto che i materiali policristallini convenzionali sintetizzati al di sotto di una certa temperatura critica sono inclini alla degradazione con l’uso prolungato nelle batterie secondarie. Tuttavia, quando sintetizzati al di sopra di questa temperatura critica, i cristalli singoli di alta qualità possono essere facilmente prodotti, portando a materiali con una longevità superiore .
Questo è dovuto a un processo chiamato “ densificazione ” che si verifica al di sopra di una certa temperatura critica. Durante questo processo, la dimensione interna dei grani del materiale aumenta e gli spazi vuoti all’interno del materiale sono densamente riempiti. I cristalli singoli densificati sono estremamente duri e resistenti alla degradazione nel tempo, migliorando significativamente la loro durabilità. Sulla base di queste scoperte, il team ha confermato che la sintesi di cristalli singoli al di sopra della temperatura critica rappresenta una strategia di progettazione del materiale più vantaggiosa. Hanno anche proposto un metodo efficace per la sintesi di materiali a singolo cristallo di alta qualità.
Il Professore 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 veicoli elettrici più economiche, veloci e durature.”
La ricerca è stata condotta con il supporto di POSCO Holdings e del Programma di Ricerca di Base del Ministero della Scienza e delle TIC.