La disfida dei catodi fa posto a un nuovo pretendente: NMA

Messo a punto da ricercatori dell’università del Texas a Austin un catodo privo di cobalto che promette un’alternativa meno costosa e più sostenibile per le batterie agli ioni di litio

Le batterie commerciali agli ioni di litio che cercano alte prestazioni negli ultimi anni si sono concentrati sulla chimica del catodo che contiene cobalto. Solo di recente, per le criticità economiche ed etiche connesse a questa materia prima, ha prosperato la ricerca di alternative.

Se la ricerca cinese spinge per versioni più moderne e competitive delle vecchie soluzioni con chimica LFP (ferro fosfato) quella occidentale preferisce strade diverse per fare a meno di questa filiera complicata.

Un paper intitolato “High‐Nickel NMA: A Cobalt‐Free Alternative to NMC and NCA Cathodes for Lithium‐Ion Batteries” pubblicato questo mese su Advanced Materials e scritto da Arumugam Manthiram, professore al Walker Department of Mechanical Engineering e direttore del Texas Materials Institute, insieme a Steven Lee e Wangda Li anticipa una svolta interessante anche per i futuri effetti pratici.

Il catodo privo di cobalto della cella sviluppata dagli scienziati di Austin può contenere più energia attraverso centinaia di cicli di ricarica rispetto a quella delle più quotate celle in commercio, particolarmente ricercate dai gruppi auto per i modelli che vantano maggiore autonomia di marcia.

I materiali dei catodi delle batterie sono strati di ossidi metallici, abitualmente una miscela di nickel, cobalto, alluminio e manganese. Il nickel da solo assicurerebbe la maggiore densità di energia alle batterie, il motivo per cui col tempo la manifattura di celle ne ha aumentato la quota percentuale nei prodotti in commercio.

Ma seguire questo percorso e dare più autonomia ai veicoli comporta avere celle più instabili e reattive. Manthiram ricorda spesso nelle sue lezioni e conferenze che le tre sfide nei catodi ad alto contenuto di nickel sono “cycle, thermal and air instabilities“, così chiaro che non richiede traduzione.

Il ruolo del cobalto in effetti è di aumentare la stabilità della struttura a strati man mano gli ioni di litio, ciclo dopo ciclo, si inseriscono e fuoriescono dal catodo durante la normale vita della batteria.

Se la chimica del catodo più diffusa tra i veicoli in circolazione è oggi la NCM 622, che usa nickel-cobalto-manganese con percentuali del 60% per il nickel e del 20% per ciascun altro componente, quella più performante (disponibile finora su pochi modelli di auto) è quella NCM 811 in cui la quota del nickel raggiunge l’80% e gli altri materiali sono presenti ciascuno al 10%.

Sebbene con i catodi NCM alcuni laboratori siano andati oltre ampliando ancora la quota di nickel, elettrodi completamente privi di cobalto in questo filone non sembravano del tutto adatti a passare alla realtà industriale. Ma Manthiram (uno dei grandi nomi della chimica globale e in particolare esperto di catodi) e i suoi collaboratori annunciano ora un catodo completamente privo di cobalto.

L’NMA 900505 (i numeri sono ancora le percentuali dei materiali), o più esattamente LiNi1−x −y Mnx Aly O2, è fatto all’89% di nickel e con alluminio e manganese, entrambe materie prime prive di criticità o quasi nella loro filiera, a costituire il resto.

Per ottenere strati di cristalli ideali per un buon catodo, spiega Manthiram, una equilibrata distribuzione degli ioni di metallo e che rimanga tale è essenziale. Finora era stato difficile senza mettere il cobalto nella “ricetta” perché gli ioni tendono a raggrupparsi disordinatamente e quando questo si verifica la performance della cella cala.

La squadra di ricercatori ha invece ottenuto una distribuzione uniforme grazie al controllo stretto sulla loro sintesi chimica. Il loro lavoro parte da un mix di soluzioni acquose di nickel, manganese ed alluminio.

Hanno poi aggiunto potassio ed idrossido di ammonio per conservare un pH appropriato e lo hanno riscaldato a una temperatura di 50°C, ottenendo la formazione di un precipitato nel quale gli idrossidi di metallo sono distribuiti in modo uniforme.

Il precipitato viene in seguito filtrato e mescolato con idrossido di litio e riscaldato finché forma sfere da 12µm pronte come materiale finale per il catodo.

I ricercatori dell’ateneo del Texas hanno creato celle pouch col nuovo catodo e lo hanno abbinato ad anodi commerciali in grafite, mettendolo quindi a confronto con diffusi catodi NCM e NCA.

Dopo 100 cicli con di carica e scarica di tre ore, l’NMA conservava il 90% della capacità originaria, in linea con i risultati di catodi NMCAM (93%), NMC (91%) ed NCA (88%). Lo sviluppo del team texano sulla batteria col nuovo catodo privo di cobalto si concentra ora su una scala di 1.000 cicli.

Il catodo NMA ha un modesto svantaggio rispetto ai catodi commerciali in termini di capacità specifica, ovvero la quantità di carica stoccata per unità di volume. Ma ha anche un voltaggio medio più alto di circa 40 mV rispetto all’NMC, e trasmettere energia a voltaggio più alto aumenta l’efficienza: più alto il voltaggio, più bassa la corrente e più basse le perdite di resistenza nei conduttori.

Visti i risultati, Manthiram e colleghi hanno deciso di lanciare una startup, TexPower, che provvederà a commercializzare il materiale ottenuto. TexPower ha anche ottenuto i primi contributi a fondo perduto dal Dipartimento dell’Energia, che punta a diminuire la dipendenza americana dai materiali strategici per le batterie.

K. M. Abraham, responsabile del settore batterie della società di consulenza E-KEM Sciences, pur con cautela per la conversione del risultato su scala industriale ha definito su Chemical & Engineering News lo sviluppo importante: “Questi ricercatori sembrano aver finalmente raggiunto questo catodo privo di cobalto tanto a lungo inseguito”.

Credito foto di apertura: ufficio stampa The Cockrell School of Engineering/University of Texas at Austin