LG sta preparando una batteria più economica rispetto alle LFP e con un 33% in più di densità energetica

LG Energy Solution ha appena compiuto un passo importante per risolvere uno dei problemi che da anni ostacolavano lo sviluppo di una chimica particolarmente promettente. La società sudcoreana, in collaborazione con l’Università Nazionale di Seul, è riuscita a migliorare notevolmente la durata delle batterie LMR, ricche di manganese, al punto da dimostrarne il funzionamento in celle di grandi dimensioni destinate alle auto elettriche.

La ricerca, pubblicata su Nature Communications, dimostra che una cella LMR di oltre 40 Ah può conservare il 92,2% della sua energia iniziale dopo 883 cicli completi di carica e scarica. Ciò che è interessante non è soltanto questo valore, ma anche il modo in cui i ricercatori sono riusciti a ottenerlo: modificando le condizioni di funzionamento della batteria per controllare meglio le reazioni dell’ossigeno.

La tecnologia LMR, acronimo in inglese di batterie al litio ricche di manganese, è da anni presa in considerazione come possibile alternativa alle batterie contenenti grandi quantità di nichel e cobalto. Nelle chimiche ad alte prestazioni attuali, questi materiali consentono di ottenere un’elevata densità energetica, ma aumentano anche il costo del prodotto. Il manganese, al contrario, è molto più abbondante e economico.

Nelle cellule LMR sviluppate da General Motors e LG Energy Solution, la composizione è di circa il 65% di manganese e il 35% di nichel, con una presenza di cobalto praticamente trascurabile. GM afferma che questa configurazione permette di raggiungere una densità energetica circa del 33% superiore rispetto alle migliori batterie LFP, a un costo paragonabile.

Ecco esattamente dove stava il problema. Le batterie LMR utilizzano anch’esse l’ossigeno presente nel materiale dell’elettrodo per immagazzinare energia. Durante la carica, una parte di quell’ossigeno si ossida e, se in seguito non riesce a tornare correttamente al suo stato originale durante la scarica, può causare danni alla struttura interna della cella. Inoltre, si genera gas, il che rappresenta un problema particolarmente grave quando si tratta di cellule grandi destinate a un’auto elettrica, dove lo spazio disponibile è limitato e un aumento della pressione interna può accelerare la degradazione.

I ricercatori di LG Energy Solution e dell’Università Nazionale di Seul hanno scoperto che la soluzione risiedeva in gran parte in un migliore controllo della finestra operativa. Riducendo la tensione massima di carica da 4,6 a 4,3 volt, il recupero dell’ossigeno ossidato è passato dall’86% al 97%. Hanno inoltre verificato che ridurre la tensione minima di scarica da 3,0 a 2,0 volt permetteva all’ossigeno di tornare praticamente al suo stato originale.

Sulla base di questi risultati, il team ha modificato sia l’intervallo di tensioni che il processo iniziale di formazione delle celle. Anche questa fase è stata eseguita a una temperatura più bassa per ridurre ulteriormente la generazione di gas. Il risultato è stata una cella LMR di grandi dimensioni, con una capacità superiore a 40 Ah, che ha mantenuto il 92,2% della sua energia dopo 883 cicli completi. Lo studio indica inoltre un’energia specifica di 663 Wh/kg, basata sulla massa del materiale attivo dell’elettrodo positivo; tuttavia, questo valore non deve essere confuso con la densità energetica dell’intero pacco batterie di un’auto.

Può sembrare che 883 cicli non siano troppi per una batteria di auto elettrica, ma la cifra cambia quando si passa ai chilometri percorsi. Se prendiamo come riferimento un’auto con una autonomia di circa 640 chilometri, 883 cicli completi equivalgono a circa 565.000 chilometri. Con questo livello di utilizzo, la batteria avrebbe perso circa l’8% della sua energia iniziale, secondo i risultati ottenuti in laboratorio.

C’è un altro dettaglio particolarmente importante: il progresso non dipende dall’introduzione di un materiale completamente nuovo né dalla modifica totale delle fabbriche di batterie. I ricercatori hanno dimostrato che una parte fondamentale del problema può essere risolta semplicemente ottimizzando le condizioni elettrochimiche di funzionamento. Ciò apre la strada a un’implementazione molto più semplice qualora i risultati si mantengano quando questa tecnologia passerà a una produzione industriale su larga scala.

Inoltre, non si tratta di una chimica rimasta solo in laboratorio. General Motors e LG Energy Solution stanno già lavorando per integrare le batterie LMR nelle auto elettriche in produzione. Entrambe le aziende prevedono di avviare la preproduzione delle celle prismatiche LMR entro la fine del 2027 e di iniziare la produzione commerciale negli Stati Uniti nel 2028 tramite Ultium Cells.

L’obiettivo iniziale riguarda i grandi SUV e i pick-up elettrici di GM, dove il peso e il costo di una batteria ad alta capacità hanno un impatto particolarmente significativo. L’azienda vuole mantenere autonomie superiori a 640 chilometri, riducendo al contempo i costi rispetto alle batterie attuali ad alto contenuto di nichel. Infatti, GM lavora su questa chimica dal 2015 e afferma di aver già testato centinaia di celle prismatiche di grandi dimensioni in diverse configurazioni.

La combinazione risulta particolarmente interessante perché le batterie LMR possono occupare uno spazio intermedio tra quelle LFP e quelle a base di nichel. Il primo vantaggio è il costo del manganese; il secondo, una densità energetica notevolmente superiore a quella delle LFP; e il terzo, la possibilità di mantenere un’elevata autonomia senza ricorrere a grandi quantità di nichel e cobalto.

Resta ancora da dimostrare come si comporterà questa tecnologia in milioni di celle prodotte in serie e nelle condizioni reali di utilizzo di un’auto elettrica. Sarà anche necessario verificare quale densità energetica raggiungerà infine l’intero pacchetto batterie e come evolverà il suo funzionamento dopo migliaia di cicli. Tuttavia, il progresso annunciato ora da LG Energy Solution e dall’Università Nazionale di Seul elimina uno degli ostacoli principali che da anni frenavano le batterie LMR: la degradazione causata dalle reazioni irreversibili dell’ossigeno e dalla generazione di gas.

Se l’industrializzazione prevista da GM e LG Energy Solution rispetterà i tempi stabiliti, le prime applicazioni arriveranno nel 2028. Ciò significa che una batteria in grado di offrire un’ampia autonomia, utilizzare molto meno cobalto e ridurre i costi di produzione potrebbe essere molto più vicina alle auto elettriche che utilizziamo quotidianamente di quanto sembrasse solo pochi anni fa.

Fonte | LG

Punti chiave

La chimica utilizza circa il 65% di manganese e il 35% di nichel, con molto poco cobalto.

La densità energetica può essere del 33% superiore a quella delle migliori batterie LFP, secondo GM.

Una cella di oltre 40 Ah ha mantenuto il 92,2% della sua energia dopo 883 cicli.

Il controllo della tensione durante la carica e lo scarico permette di recuperare fino al 97% dell’ossigeno ossidato.

GM e LG Energy Solution prevedono di avviare la produzione commerciale di cellule LMR nel 2028.

I primi utilizzi saranno destinati ai grandi SUV e pick-up elettrici di GM.

Grazie a un’autonomia di circa 640 chilometri, 883 cicli corrisponderebbero approssimativamente a 565.000 chilometri.