Grazie a questo nuovo additivo per il grafite, le batterie potrebbero durare molto di più.

Uno dei grandi sfidi delle batterie attuali non riguarda soltanto l’aumento della loro capacità, ma anche il garantire che resistano al passare dei cicli e degli anni. Un gruppo di ricercatori giapponesi ha ora trovato un modo per migliorare questo aspetto utilizzando un nuovo additivo che agisce sulla superficie del grafite, uno dei materiali più utilizzati negli elettrodi delle batterie.

Il team del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ha sviluppato un composto denominato imina di pentafluorofenile e tiofene, noto come FPTI. La sua funzione è migliorare lo strato protettivo che si forma sul grafite durante i primi cicli di carica, strato fondamentale per controllare l’invecchiamento della batteria.

Il risultato più sorprendente si osserva dopo 1.000 cicli: le celle sottoposte a trattamento con una concentrazione di 4 milligrammi di FPTI per millilitro sono riuscite a mantenere il 95,6% della loro capacità, mentre quelle senza l’additivo sono rimaste al 62,7%. Con una concentrazione inferiore, di 2 milligrammi per millilitro, la capacità conservata è stata del 89,4%.

La chiave si trova in una zona della batteria che di solito passa inosservata. Durante le prime cariche si forma sul grafite uno strato noto come interfaccia di elettrolita solido, o SEI. Questa pellicola permette il movimento degli ioni di litio, ma allo stesso tempo limita alcune reazioni chimiche che potrebbero accelerare il deterioramento della cella.

Quando questo strato perde stabilità, aumenta la resistenza interna e viene consumata parte del litio attivo presente nella batteria. Il risultato è una perdita progressiva della capacità. Ciò che hanno cercato i ricercatori giapponesi è proprio riuscire a rendere questa protezione più stabile fin dall’inizio.

Un additivo che crea uno strato protettivo più resistente

Il FPTI è progettato per reagire nelle prime fasi di funzionamento prima degli altri componenti dell’elettrolita. In questo modo contribuisce a creare uno strato protettivo più stabile sul grafite. L’analisi effettuata dal team ha inoltre rivelato una elevata presenza di fluoruro di litio in questo strato, mentre altri componenti derivanti dal zolfo e dal gruppo imina del composto partecipano anch’essi alla sua formazione.

L’effetto può essere misurato direttamente sulla resistenza interna della cella. Con la concentrazione più elevata di FPTI, la resistenza dello strato protettivo è passata da 7,6 ohm nella cella di riferimento a soli 2,2 ohm. Anche la resistenza associata al trasferimento di carica è diminuita da 41,8 a 19,8 ohm, mentre il movimento degli ioni di litio si è migliorato.

Tuttavia è nel test a lungo termine che si manifesta la differenza più significativa. Dopo 1.000 cicli, la cella senza FPTI conservava il 62,7% della sua capacità di riferimento, mentre quelle trattate con 2 e 4 milligrammi per millilitro mantenevano rispettivamente l’89,4% e il 95,6%. Inoltre, le cella prive di questo additivo hanno iniziato a mostrare una perdita di capacità particolarmente marcata a partire da circa 350 cicli.

Gli investigatori hanno poi voluto verificare se lo stesso principio potesse essere applicato a una batteria completa, utilizzando un elettrodo positivo di tipo NMC811 e uno negativo di grafite. È emersa però una limitazione importante: l’aggiunta diretta di FPTI all’elettrolita dell’intera batteria non ha funzionato bene, poiché aumentava la resistenza nell’elettrodo positivo e ne peggiorava le prestazioni.

La soluzione consistette nell’utilizzare il composto esclusivamente per trattare in anticipo l’elettrodo di grafite. Prima si formò uno strato protettivo migliorato sul grafite tramite il FPTI e successivamente si assemblò la batteria completa utilizzando l’elettrolita convenzionale, senza mantenere l’additivo in tutta la cella.

Anche i risultati ottenuti furono significativi. La batteria completa che utilizzava grafite trattato con 4 milligrammi per millilitro di FPTI raggiunse una densità energetica di circa 233 Wh/kg, rispetto a circa 192 Wh/kg con un trattamento di 2 milligrammi per millilitro e a circa 130 Wh/kg nella configurazione di riferimento.

La ricerca dimostra quindi che non è sempre necessario sostituire il grafite con un materiale completamente nuovo per migliorare la durata di una batteria. In questo caso, l’obiettivo è quello di controllare meglio ciò che avviene sulla sua superficie e di evitare che le reazioni secondarie deteriorino l’elettrodo ad ogni ciclo.

Tuttavia, manca ancora molto prima di poter pensare al suo utilizzo nelle auto elettriche. Il risultato del 95,6% è stato ottenuto principalmente in celle di prova a base di grafite e litio, mentre il test con una batteria completa è stato effettuato mediante un trattamento preliminare dell’elettrodo negativo. Gli stessi ricercatori sottolineano che saranno necessari test con celle di dimensioni maggiori e in condizioni operative più simili a quelle commerciali.

L’importanza del lavoro risiede quindi più nel percorso che apre che in un’applicazione immediata. Se questa strategia riuscirà a funzionare su scala industriale, potrà consentire di migliorare la durata delle batterie basate su materiali già noti senza necessità di modificare completamente la loro composizione. E questo potrebbe essere interessante sia per le auto elettriche che per altri sistemi di accumulo che devono resistere a centinaia o migliaia di cicli senza perdere troppa capacità.