Studio: l’esposizione all’aria accelera l’invecchiamento delle batterie ricche di nichel
I ricercatori dell’Università di Hanyang in Corea del Sud hanno identificato un meccanismo di invecchiamento finora trascurato nei materiali catodici privi di cobalto e ricchi di nichel. I loro risultati indicano che semplicemente conservare i materiali precursori all’aria può innescare cambiamenti chimici che riducono notevolmente la durata della batteria.
I ricercatori si sono concentrati su catodi privi di cobalto con un nucleo ricco di nichel e uno strato ricco di manganese. Questi materiali sono considerati un approccio promettente per aumentare l’autonomia dei veicoli elettrici riducendo al contempo la dipendenza dal cobalto, una materia prima fondamentale. Tuttavia, il team ha scoperto che semplicemente conservare i materiali precursori all’aria può innescare cambiamenti chimici che accelerano l’invecchiamento della batteria.
Secondo lo studio, la conservazione dei materiali precursori in aria provoca l’ossidazione del manganese presente sulla superficie delle particelle. Questa ossidazione genera regioni superficiali difettose che contengono specie di manganese distorte secondo il fenomeno Jahn-Teller. Tali specie reagiscono in modo particolarmente intenso con l’elettrolita, favoriscono la dissoluzione dei metalli di transizione e innescano reazioni dannose sull’anodo in grafite. Nei sistemi di batterie ricchi di nichel esaminati, i ricercatori hanno riscontrato che questo effetto raddoppia quasi del tutto la perdita di capacità durante i test di ciclizzazione a lungo termine.
“Abbiamo scoperto che uno strato ricco di manganese, solitamente introdotto per proteggere i catodi ad alto contenuto di nichel, può invece diventare un catalizzatore della degradazione se la chimica dei precursori non viene controllata con attenzione”, ha spiegato il prof. Bang, “Anche piccole variazioni nella modalità di conservazione dei precursori possono influenzare notevolmente la stabilità della batteria.”
Come possibile soluzione, i ricercatori propongono di aumentare il contenuto di litio durante la sintesi. Secondo lo studio, questo approccio riduce la formazione della fase superficiale difettosa e ripristina un legame stabile tra manganese e ossigeno. Nei test, i catodi prodotti con questo metodo hanno mantenuto oltre il 90% della loro capacità, dimostrando una notevole miglioria nella stabilità a lungo termine.
Il team di ricerca ritiene che questi risultati forniscano indicazioni importanti per lo sviluppo di catodi ad alta energia privi di cobalto. Sottolineano che eliminare semplicemente il cobalto non è sufficiente. “I nostri risultati dimostrano che anche piccole variazioni nella storia dei precursori possono avere conseguenze significative sulle prestazioni della batteria, rendendo la gestione dei precursori un aspetto fondamentale per la produzione su larga scala”, ha aggiunto il prof. Bang.
A scopo di chiarezza, lo studio non analizza le batterie LFP e NMC utilizzate nella maggior parte dei veicoli elettrici attuali. Invece, si concentra su catodi privi di cobalto ad alto contenuto di nichel, dotati di strati protettivi ricchi di manganese, che stanno essere sviluppati come potenziali successori delle attuali celle a ioni di litio ad alto contenuto di nichel. Pertanto, i risultati forniscono indicazioni utili per lo sviluppo di batterie per trazione future, dimostrando che la durata a lungo termine dipende non solo dalla chimica della cella, ma anche da un controllo attento del processo di produzione.