Batterie agli ioni di litio: ecco come ottenere catodi a cristallo singolo puri e performanti

Un team di ingegneri energetici e scienziati dei materiali del MIT [Massachusetts Institute of Technology] e dell'UNIST [Ulsan National Institute of Science and Technology] in Corea del Sud hanno recentemente perfezionato una nuova strategia scalabile per sintetizzare catodi monocristallini con un'elevata purezza di fase e buone prestazioni elettrochimiche.

Lo studio, "A scalable strategy to synthesize purer and highly performing single-crystal cathodes" è stato pubblicato sulla rivista Nature Energy.

La strategia consiste nell'utilizzare sali di litio (Li) fusi per corrodere i confini tra i grani più piccoli, trasformarli in cristalli più grandi, ottenendo catodi a strati monocristallini.

Al momento la maggior parte dei catodi proposti per batterie agli ioni di litio (LiB) ha morfologie policristalline, costituite particelle cristalline diverse. Sebbene siano facili da fabbricare su larga scala, sono soggetti a rotture durante il ciclo della batteria, eventualità che portare all'isolamento di alcuni materiali attivi al loro interno, esponendoli a elettroliti liquidi e potenzialmente degradando le prestazioni della batteria.

I catodi a cristallo singolo sono meno soggetti a rotture e degrado: tuttavia, fabbricarli in modo affidabile utilizzando processi scalabili si è finora rivelato impegnativo.

"La produzione di catodi monocristallini con elevata purezza di fase, buone prestazioni elettrochimiche e scalabilità rimane una sfida perché richiede numerosi accorgimenti, quali un intervallo di temperatura accessibile per prevenire l'evaporazione del litio, i difetti del reticolo e gli agglomerati di particelle", hanno spiegato Moonsu Yoon, Yanhao Dong e i loro colleghi a Tech Xplore.

"Per questo abbiamo inventato un nuovo processo di attivazione meccanochimica che offre una soluzione generale all'enigma della sintesi di catodi monocristallini grossolani con una chimica ricca di Li/Mn [Litio/Manganese] o ricca di Ni [Nichel], che differisce dall'apparecchiatura, ad alta intensità energetica e di lunga durata percorsi meccanochimici che sono difficili da scalare."

La strategia per sintetizzare catodi a cristallo singolo proposta da Yoon, Dong e colleghi si basa su una tecnica di de-agglomerazione centrifuga planetaria.

Il team ha dimostrato che questa strategia potrebbe consentire la produzione scalabile di catodi a cristallo singolo da materiali facili da reperire, in quanto disponibili in commercio.

"Il nostro approccio si basa sulla bagnatura reattiva interfacciale, mediata da sali eutettici transitori in situ sciolti da moderate agitazioni meccaniche, per formare una sospensione colloidale di ossidi di dimensioni nanometriche disperse in sali di litio liquefatti", hanno scritto Yoon, Dong e i loro colleghi nel loro articolo.

Gli elementi eutettici [fra cui rientrano le leghe metalliche tra stagno, zinco, piombo, rame, cadmio, bismuto e le miscele frigorifere, o i minerali] sono sostanze il cui punto di fusione è più basso di quello delle singole componenti.

"De-agglomera in modo efficiente i precursori policristallini, ricompone i cristalli e omogeneizza la distribuzione del sale di litio, consentendo così un facile ingrossamento delle particelle successivamente nella morfologia monocristallina con prestazioni elettrochimiche migliorate".

In particolare, i sali di Li fusi utilizzati dai ricercatori possono produrre la reazione desiderata senza la necessità di ulteriori sostanze chimiche.

Questa strategia di sintesi può essere facilmente integrata anche nei processi di produzione di catodi esistenti, facilitandone la diffusione.

Lo studio del MIT potrebbe aprire la strada ad altre ricerche volte a sviluppare ulteriori strategie per la creazione di catodi a cristallo singolo altamente performanti per batterie agli ioni di litio, creando un know-how che porti questa tecnologia a superare i suoi attuali limiti.