Le batterie agli ioni di litio possono diventare più pulite, economiche e scalabili grazie a una nuova metodologia che permette di eliminare il nichel e il cobalto dai catodi. Il merito è di un team internazionale guidato da McGill University di Montréal in Canada, che ha messo a punto una tecnica in grado di produrre materiali DRX (disordered rock-salt) ad alte prestazioni, con particelle uniformi e cristalline inferiori a 200 nanometri, senza la necessità di processi di macinazione post-sintesi.
Una nuova ricetta per le batterie agli ioni di litio
Il cuore dell’innovazione risiede nella sintesi a due stadi in sali fusi, che combina un rapido riscaldamento a 800°C con una successiva fase di ricottura a 600°C.
Questo approccio consente di favorire la nucleazione dei cristalli e limitarne la crescita, generando particelle stabili e omogenee, ideali per la realizzazione di elettrodi ad alte prestazioni.
Quando testati in cella, questi nuovi materiali DRX mostrano una ritenzione di capacità dell’85% dopo 100 cicli, più del doppio rispetto alle versioni tradizionali macinate.
La nuova tecnica, pubblicata su Nature Communications, è applicabile a diverse composizioni (inclusi ossidi di litio-manganese-titanio e litio-manganese-niobio), superando le limitazioni delle tecnologie precedenti, che producevano particelle troppo grandi, disomogenee o poco cristalline.
In particolare, il metodo permette di ottenere direttamente particelle DRX utilizzabili in catodi per batterie agli ioni di litio senza ulteriori lavorazioni.
Stabilità e prestazioni oltre la teoria
Oltre alla produzione di particelle di dimensioni ridotte, la sintesi NM consente di ottenere una migliore omogeneità compositiva e una struttura cristallina più stabile. Test elettrochimici dimostrano che le batterie basate su questi nuovi catodi DRX mantengono una tensione media più elevata durante il ciclo di vita, con una perdita per ciclo di soli 4,8 mV, contro i 7,5 mV delle tecnologie convenzionali.
Il risultato è una minore degradazione, una distribuzione più uniforme degli stress meccanici e un calo più lento della capacità.
Questo approccio ha inoltre permesso di ridurre la dissoluzione di manganese e la formazione di strati interfaciali instabili, migliorando ulteriormente la durabilità delle celle agli ioni di litio.
L’assenza di polverizzazione post-sintesi consente inoltre una migliore dispersione del materiale attivo nella matrice elettrodica, rendendo il processo più replicabile su scala industriale.
Batterie agli ioni di litio più sostenibili e scalabili
La metodologia NM non solo elimina elementi critici come nichel e cobalto, ma rende più semplice e sostenibile la produzione di catodi DRX. Il processo richiede meno energia, riduce gli scarti e permette una maggiore controllabilità del materiale finale.
La ricerca è stata condotta in collaborazione con Stanford (SLAC National Accelerator Laboratory), KAIST e Wildcat Discovery Technologies, azienda americana interessata a portare la tecnologia su scala commerciale.
Le implicazioni sono rilevanti per il futuro delle batterie agli ioni di litio, soprattutto nei settori della mobilità elettrica e dello stoccaggio delle energie rinnovabili. Grazie alla nuova sintesi, si apre una strada concreta verso dispositivi più economici, affidabili e facilmente industrializzabili.
Le prossime sfide dei materiali DRX
Nonostante i risultati promettenti, restano margini di miglioramento. La capacità specifica raggiunta (~220 mAh/g) è elevata, ma non ancora al livello delle migliori tecnologie con nichel e cobalto.
Per colmare questo divario sarà necessario agire sia sulla composizione chimica dei DRX per migliorarne la diffusività degli ioni litio, sia sull’ottimizzazione del processo di sintesi per ridurre ulteriormente la crescita delle particelle e controllarne meglio la morfologia.
Allo stesso tempo, sarà importante sviluppare metodi alternativi al lavaggio con acqua deionizzata, che comporta la perdita di litio per scambio con protoni.
I ricercatori hanno già introdotto un passaggio di re-inserzione del litio tramite trattamento con soluzione di LiOH, ma si guarda anche all’uso di solventi aprotici come DMSO, per evitare completamente il problema.
Infine, l’attenzione si sposta sul comportamento delle superfici dei cristalli DRX sintetizzati in sali fusi, più stabili rispetto a quelle prodotte per macinazione. Una migliore comprensione di questi effetti potrebbe portare a materiali più resistenti alle reazioni indesiderate all’interfaccia con l’elettrolita, aumentando la vita utile delle batterie agli ioni di litio e la loro efficienza a lungo termine.
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