BAM identifica gli isotopi di litio come strumento di diagnosi per la valutazione dell’invecchiamento delle batterie
I ricercatori dell’Istituto federale per la ricerca e il controllo dei materiali hanno scoperto che la distribuzione di due isotopi di litio all’interno delle cellule è strettamente legata ai processi di degrado, proprio come un’impronta digitale. Questa scoperta dovrebbe 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 agli ioni di litio è limitata da complessi processi di invecchiamento, le cui cause sono spesso difficili da distinguere tra loro. I ricercatori della BAM hanno dimostrato che vale la pena analizzare più attentamente gli isotopi di litio presenti nelle cellule, come spiegano in un articolo pubblicato sulla rivista specializzata 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 cellula come strumento per diagnosticare i processi di invecchiamento. La scoperta principale è che “le loro tracce e schemi caratteristici forniscono un’indicazione sui meccanismi di degrado sottostanti”, si legge in un comunicato della BAM.
Il contesto è che all’interno della batteria sono responsabili della degradazione diversi processi complessi. “Finora la sfida non è stata risolta: identificare chiaramente questi meccanismi di invecchiamento e distinguerli tra loro. I metodi di diagnosi tradizionali, sebbene dimostrino che una batteria invecchia, forniscono spesso soltanto informazioni limitate su quando, dove e attraverso quale meccanismo avviene la degradazione”, descrive l’ente federale la situazione attuale.
Il metodo appena sviluppato sfrutta il fatto che il litio naturale è composto dai due isotopi litio-6 e dal leggermente più pesante litio-7. Si tratta, secondo il team di ricerca, di varianti dello stesso elemento chimico con un numero diverso di neutroni. Nelle nuove batterie, entrambi gli isotopi di litio sono distribuiti come in tutte le risorse naturali di questo metallo alcalino, cioè in un rapporto del 2,4 percento contro il 97,6 percento.
Nello specifico, i ricercatori hanno analizzato una batteria al litio con una catodo realizzata in ossido di litio-nichel-manganocobalto (NMC) e una anoda in grafite. Già dopo i primi cicli di carica, secondo gli scienziati, il litio-6 si è accumulato preferenzialmente sull’anoda. Dopo altri 280 cicli, questo effetto si è intensificato, mentre la catodo presentava contenuti di litio-7 notevolmente più elevati. Allo stesso tempo, la capacità delle celle è diminuita.
Secondo la BAM, questa verifica 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 lungo tutta la profondità delle elektrode. Gli studi sono stati condotti 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 agli ioni di litio. Gli isotopi agiscono come marcatori naturali: la loro distribuzione ci mostra come il litio si muove durante il funzionamento della batteria e in quali punti avvengono modifiche”, riassume Beatrice Battistella. I ricercatori hanno inoltre potuto dimostrare che queste tracce sono strettamente legate alla perdita di capacità delle batterie.
Per la BAM, l’importanza dei risultati risiede soprattutto nelle loro possibilità di applicazione per misurazioni precise: invece di rilevare l’invecchiamento soltanto attraverso la perdita di capacità, in futuro sarà possibile seguirlo molto prima, grazie alle tracce lasciate dagli isotopi di litio all’interno della cella batterica. “Questo permette una comprensione più precisa dei meccanismi di invecchiamento e è fondamentale per migliorare le batterie in modo mirato e prevedere con maggiore accuratezza la loro durata di vita”, conclude il testo.