BAM identifica gli isotopi di litio come strumento diagnostico per l’invecchiamento delle batterie
I ricercatori dell’Istituto Federale per la Ricerca e il Test dei Materiali hanno scoperto che la distribuzione di due isotopi di litio nelle cellule è direttamente collegata ai processi di degrado, come una impronta digitale. Questa scoperta mira ad aiutare a comprendere meglio i meccanismi di invecchiamento delle batterie.
Immagine simbolica: Una tipica batteria ad alta tensione per auto elettriche.
Immagine: Stellantis
La durata di vita delle batterie al litio-ione è limitata da complessi processi di invecchiamento, le cui cause sono spesso difficili da individuare. I ricercatori del BAM hanno dimostrato che l’analisi degli isotopi di litio presenti all’interno delle celle può fornire informazioni preziose, come spiegano in un articolo pubblicato sulla rivista _ACS Energy Letters_.
Nello specifico, il team guidato da Carlos Abad e Beatrice Battistella ha utilizzato la distribuzione di due isotopi di litio all’interno di una cella come strumento di diagnosi dei processi di invecchiamento. La scoperta principale: “Le loro tracce e i loro pattern caratteristici forniscono un’impronta dei meccanismi di degrado sottostanti”, afferma un comunicato stampa del BAM.
Lo sfondo di questa situazione è rappresentato dai numerosi processi complessi all’interno della batteria che contribuiscono alla sua degradazione. “Finora, la sfida di identificare chiaramente questi meccanismi di invecchiamento e di distinguerli tra loro rimane irrisolta. Sebbene i metodi di diagnosi convenzionali indichino che una batteria sta invecchiando, spesso forniscono soltanto informazioni limitate su quando, dove e con quale meccanismo avviene la degradazione”, ha spiegato l’Istituto Federale per la Ricerca e il Test dei Materiali (BAM).
Il metodo appena sviluppato sfrutta il fatto che il litio naturale è composto da due isotopi: il litio-6 e il leggermente più pesante litio-7. Si tratta di varianti dello stesso elemento chimico con un numero diverso di neutroni, come spiega il team di ricerca. Nelle nuove batterie, entrambi gli isotopi di litio sono distribuiti nella stessa proporzione riscontrata in tutte le occorrenze naturali di questo metallo alcalino, ovvero il 2,4 per cento contro il 97,6 per cento.
I ricercatori hanno esaminato in particolare una batteria al litio con una catodo realizzata in ossido di litio-nichel-manganese-cobalto e un anodo di grafite. Secondo gli scienziati, già dopo pochi cicli di carica il litio-6 iniziò ad accumularsi preferenzialmente sull’anodo. Dopo ulteriori 280 cicli, questo effetto si intensificò, mentre la catodo presentava un contenuto di litio-7 notevolmente aumentato. Allo stesso tempo, la capacità delle celle diminuì.
Secondo BAM, la rilevazione è stata resa possibile grazie a una forma ad alta risoluzione di spettrometria di massa, che ha permesso di determinare la distribuzione degli isotopi di litio strato per strato in tutta la profondità degli elettrodi. Le indagini sono state condotte in collaborazione con Nu Instruments Ltd. nel Regno Unito e con l’Istituto Leibniz per la ricerca sui materiali solidi di Dresda (IFW Dresden).
“La distribuzione degli isotopi di litio fornisce quindi informazioni dirette sui processi di invecchiamento nelle batterie al litio-ione. Gli isotopi agiscono come marcatori naturali; la loro distribuzione offre indicazioni sui meccanismi che regolano il movimento del litio durante il funzionamento della batteria e sugli ambiti in cui avvengono i cambiamenti”, ha dichiarato Beatrice Battistella. I ricercatori sono riusciti inoltre a dimostrare che queste tracce sono strettamente legate alla perdita di capacità delle batterie.
Per BAM, l’importanza dei risultati risiede principalmente nelle loro potenziali applicazioni per misurazioni precise: invece di rilevare l’invecchiamento esclusivamente attraverso la perdita di capacità, in futuro potrà essere monitorato molto prima grazie alle tracce lasciate dagli isotopi di litio all’interno della cella batteria. “Questo permette una comprensione più precisa dei meccanismi di invecchiamento e è fondamentale per migliorare le batterie in modo più mirato e prevedere con maggiore accuratezza la loro durata di vita”, conclude l’istituto.