Rifacimento del manganese per batterie agli ioni di litio
22 marzo 2021 - Accumulo di energia con batterie agli ioni di litio Accumulo di energia con batterie agli ioni di litio
I catodi privi di cobalto potrebbero risolvere i problemi di approvvigionamento utilizzando uno dei metalli più economici disponibili.
Ricercatori statunitensi hanno realizzato una batteria agli ioni di litio che utilizza il manganese come materiale catodico invece del tradizionale cobalto o nichel. Il lavoro potrebbe offrire un’alternativa economica e abbondante a queste risorse sempre più costose e limitate, fornendo un modo per soddisfare la domanda in rapida crescita di stoccaggio di energia agli ioni di litio.
La maggior parte dei catodi delle batterie agli ioni di litio dipende dal cobalto o dal nichel perché mantengono facilmente le strutture stratificate e ordinate. Ma nel 2014 un gruppo del Massachusetts Institute of Technology (MIT) guidato da Gerbrand Ceder ha dimostrato che le batterie agli ioni di litio con una struttura disordinata potrebbero funzionare purché siano ricche di litio, aprendo la possibilità di sperimentare nuove, ed eventualmente meglio, materiali.
Ceder e colleghi dell’Università della California e del Lawrence Berkeley National Laboratory, negli Stati Uniti, hanno ora sviluppato una batteria agli ioni di litio con un catodo disordinato a base di manganese e hanno dimostrato che potrebbe potenzialmente immagazzinare più energia rispetto al cobalto o al nichel. “La nostra idea era che se potessimo realizzare catodi in cui non ci preoccupiamo della stratificazione, potremmo utilizzare uno spettro di metalli molto più ampio”, afferma l’autore principale Jinhyuk Lee del MIT. "Abbiamo deciso di optare per il manganese poiché è uno dei metalli più economici disponibili."
Il manganese è già utilizzato nei tradizionali catodi delle batterie agli ioni di litio stratificati, ma come metallo stabilizzante con scarso coinvolgimento nello stoccaggio degli elettroni. I recenti tentativi di produrre catodi esclusivamente da manganese disordinato e altri ossidi metallici sono stati limitati perché diventano instabili e perdono capacità a causa dell'eccessiva attività redox dell'ossigeno quando gli ioni di litio si spostano dal catodo all'anodo a base di litio durante la carica.
Per ridurre questa attività e ottenere un catodo di ossido di manganese ad alta capacità, il team di Ceder ha trovato un modo per far sì che il manganese scambiasse due elettroni, che è ciò che fanno i catodi a base di nichel ad alta capacità, invece di uno. Ciò ha comportato l'abbassamento della valenza del manganese a Mn2+ sostituendo alcuni anioni dell'ossigeno con anioni del fluoro a valenza inferiore e scambiando alcuni cationi di manganese con ioni di niobio e titanio a valenza più elevata. Ciò significava che poteva verificarsi un doppio redox dei cationi manganese da Mn2+ a Mn4+, consentendo a un'elevata frazione di ioni di litio di spostarsi dal catodo all'anodo di litio senza diventare instabile.
“I nostri risultati su scala di laboratorio [test del ciclo della batteria] mostrano una densità energetica dei nostri catodi piuttosto elevata (~1000 Wh/kg) rispetto a quella dei catodi esistenti (600-700 Wh/kg)”, afferma Ceder. “Ma i nostri dati non sono su scala commerciale, quindi dovrebbero seguire ulteriori test e ottimizzazione dei nostri materiali.”
“Sebbene siano necessari ulteriori miglioramenti nella stabilità del ciclo per applicazioni pratiche, la strategia riportata è molto promettente e consente un’ampia esplorazione di vari cationi ad alta valenza,” commenta Gleb Yushin, che studia l’immagazzinamento di energia presso il Georgia Institute of Technology, negli Stati Uniti. “La necessità di ridurre la tensione delle celle a valori molto bassi può creare una barriera per le applicazioni della tecnologia segnalata ai dispositivi elettronici, ma non dovrebbe essere un grosso problema per le applicazioni automobilistiche”.
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