Batterie sempre più performanti: la chiave è nei 'buchi' dell'ossigeno

Fra i settori che stanno progredendo a velocità incredibile, c'è sicuramente quello delle batterie destinate alle auto elettriche: con la finalità di rendere la mobilità elettrica simile a quella tradizionale per autonomia di guida e velocità di rifornimento, la ricerca – da più di vent'anni a questa parte – sta battendo costantemente nuove strade e trovando soluzioni sempre più innovative.

E sostenibili, come la scelta di andare a limitare – se non addirittura sostituire totalmente – il cobalto come materiale, preferendo il nichel in sua vece: la prima a prendere questa decisione fu Tesla (che ha poi fatto un ulteriore passo in avanti, con le FLP) e da allora diverse aziende hanno indirizzato la ricerca in questa direzione.

Se da un lato questa scelta si sta rivelando vincente sotto molto punti di vista (sostenibilità in primis, costi ridotti, aumento della densità delle celle, e così via…) dall'altro ha posto davanti nuovi problemi da risolvere, come il degrado delle batterie.

Su questo punto, due prestigiose Università inglesi - Cambridge e Birmingham – hanno unito le forze e messo – letteralmente – sotto la lente di ingrandimento gli atomi dei materiali che compongono le celle, indagando approfonditamente il fenomeno.

Gli scienziati hanno quindi scoperto che il responsabile è l'ossigeno o, per essere più precisi, l'instabilità strutturale del gas e la sua tendenza a creare dei "buchi" in cui uno ione di ossigeno perde un elettrone: queste fuoriuscite costanti, secondo i ricercatori, sarebbero la causa del degrado e dei potenziali guasti delle batterie.

Lo studio, dal titolo "Oxygen hole formation controls stability in LiNiO2 cathodes", è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Joule.

Utilizzando una serie di tecniche computazionali sui supercomputer regionali del Regno Unito, i ricercatori hanno esaminato il comportamento dei catodi ricchi di nichel durante la carica, scoprendo che – durante questo processo, in cui gli elettroni vengono assorbiti dalla batteria - l'ossigeno contenuto nel materiale subisce diversi cambiamenti, mentre la carica di nichel rimane sostanzialmente invariata.

"Abbiamo scoperto che la carica degli ioni di nichel rimane intorno a +2, indipendentemente dal fatto che sia nella sua forma carica o scarica", ha affermato il professor Andrew J Morris, dell'Università di Birmingham, che ha co-condotto la ricerca. "Allo stesso tempo, la carica dell'ossigeno varia da -1,5 a circa -1. Questo insolito fenomeno ci ha molto incuriosito: il modello convenzionale presuppone che l'ossigeno rimanga a -2 durante la carica, ma questi cambiamenti hanno mostrato l'instabilità della struttura dell'ossigeno e ci ha spinto a trovare un metodo per lasciare il catodo ricco di nichel".

I ricercatori hanno confrontato i loro calcoli con i dati sperimentali ottenuti e hanno scoperto che i due combaciavano perfettamente. Quello che avviene dentro la cella, e che comporta la perdita di ossigeno ed elettroni, secondo la ricerca, è questo: i radicali dell'ossigeno si combinano fra loro andando a formare ioni di perossido, a loro volta convertiti in ossigeno gassoso.

Quest'ultima trasformazione genera energia e forma ossigeno singoletto – il più basso fra gli stati eccitati dell'ossigeno molecolare – e lascia dietro di sé delle "maglie" da cui gli elettroni riescono a scappare.

"Potenzialmente, aggiungendo composti che spostano maggiormente le reazioni elettrochimiche dall'ossigeno ai metalli di transizione, specialmente sulla superficie dei materiali della batteria, possiamo prevenire la formazione di ossigeno singoletto", ha affermato la prima autrice, la dott.ssa Annalena Genreith-Schriever del Dipartimento di Chimica di Yusuf Hamied.

"Ciò migliorerà la stabilità e la longevità di queste batterie agli ioni di litio, aprendo la strada a sistemi di accumulo di energia più efficienti e affidabili".