Startup di San Diego punterà ad anodi a prova di carica ultra-veloce

Si chiama Tyfast l’azienda creata in California da scienziati che lavoreranno a materiali lithium-rich basati sull’inedita formula disordered rocksalt di litio, vanadio, ossigeno

Un team di scienziati dell’università di California a San Diego ha scoperto un nuovo materiale per gli anodi che consentirà di ricaricare batterie agli ioni di litio con la massima rapidità e in sicurezza per migliaia di cicli.

La ricerca si è concentrata su materiali lithium-rich e in particolare sui cosiddetti disordered rocksalt con anodo formato da atomi di litio, vanadio e ossigeno disposti in modo simile al comune salgemma: ovvero casualmente e non in modo ordinato come si trovano invece i cationi nel lattice cristallino delle batterie agli ioni di litio.

Numerosi ricercatori si esercitano con composti disordered rocksalt (che qualcuno abbrevia in DRX) da circa sei anni. Finora si sono dedicati soprattutto ai catodi, attratti da punti di forza che includono poter fare a meno del cobalto (e nickel!), capacità compresa tra 250/320 mAh/g, limitata perdita di O2 nelle superfici, meno problemi di isteresi al primo ciclo.

Diverse le formule di questi materiali lithium-rich studiate e sviluppate finora. Tra gli esperimenti pionieristici ricordiamo quelli su Li2VO2F condotti dai gruppi del professor Maximilian Fichtner all’Helmoltz Institute di Ulm e della sua collega Kristina Edstroem a Uppsala.

La docente svedese e il suo team sono riusciti a migliorarne le performance usando additivi per rivestire le superfici dei catodi, ma di recente ha confermato che i catodi col vanadio sono interessanti soprattutto come modello per la ricerca. Per sostituirlo con più speranze di applicazioni pratiche lei pensa al titanio, ma altri preferiscono il manganese.

Proprio quello che stanno facendo altrove gruppi di suoi colleghi inclusi Gerbrand Ceder a Berkeley e Saiful Islam a Bath. Tra le formulazioni su cui si sta spendendo sudore e lavoro ci sono Li2MnO2F nel Regno Unito e Li2(Mn,Ti/Nb)O2 in America.

Ma lo studio pubblicato il 2 settembre su Nature e guidato a San Diego da esperti di nano-ingegneria nel laboratorio dei professori Ping Liu e Shyue Ping Ong non ha messo da parte il vanadio come componente essenziale della formula. Non solo: insieme a litio e ossigeno lo ha applicato agli anodi invece che ai catodi come avvenuto per gli altri ricercatori.

Oggi il materiale più comune per gli anodi delle batterie dei veicoli elettrici e dell’elettronica di consumo è la grafite, che tuttavia ha dimostrato controindicazioni in particolare nel caso di ricariche molto veloci, che accentuano il fenomeno della crescita dei dendriti sull’elettrodo, con possibili conseguenze per la sicurezza. L’alternativa del silicio procede, ma con problemi collegati alla crescita del volume durante i cicli di carica e scarica.

La scelta precedente alla grafite era stata quella di anodi al titanato di litio. Possono essere ricaricati anche molto rapidamente ma, rispetto alla grafite (o ancor più al silicio), accusano un gap in termini di densità di energia. Quindi una batteria realizzata con un elettrodo di questo tipo richiede ricariche a intervalli più frequenti.

L’apertura della ricerca su anodi basati su disordered rocksaltha portato a identificare nella formula Li3V2O5 un terreno a metà strada: molto più sicuro della grafite di fronte alle ricariche rapide ed ultra-rapide ma con una densità di energia superiore del 71% a quella del titanato di litio.

I ricercatori hanno formato una startup chiamata Tyfast per commercializzare la loro scoperta. Il primo mercato potrebbe essere quello degli autobus elettrici e degli attrezzi elettrici da lavoro, dato che le caratteristiche dell’elettrodo Li3V2O5 lo rendono adatto a celle che debbano essere ricaricate rapidamente ma con scadenze prevedibili.

I ricercatori del gruppo del professor Liu hanno in mente di continuare a sviluppare ancora l’anodo basato su ossido di litio vanadio ma intendono anche investigare le possibilità dei disordered rocksalt per gli altri componenti della cella.

La struttura cristallina “disordered rocksalt” della formula Li3V2O5: le sfere rosse rappresentano Ossigeno, il tetraedro blu rappresenta Litio in siti tetraedrici e l’ottaedro verde rappresenta Litio/Vanadio in siti ottaedrici (credito immagine; ufficio stampa University of California San Diego)

Un altro degli scienziati di San Diego, Haodong Liu, ha spiegato come hanno iniziato a seguire le tracce delle possibilità della formula Li3V2O5 per gli anodi: “quando lo si usa come catodo bisogna scaricare il materiale a 1,5 volt. Ma quando abbiamo guardato alla struttura del materiale del catodo a 1,5 volt, abbiamo pensato che questo materiale avesse una speciale struttura che poteva essere in grado di accogliere più ioni di litio, il che significa che può andare ad un voltaggio ancora più basso per funzionare come anodo”.

Nello studio la squadra ha compreso che l’anodo formato con disordered rocksalt poteva affrontare il ciclo degli ioni di litio a un voltaggio medio di 0,6 volt, più alto dello 0,1 volt della grafite, eliminando il rivestimento di litio metallico a un tasso di carica alto che rende la batteria più sicura, ma più basso rispetto all’1,5 volt a cui avviene l’intercalazione nel titanato di litio, e quindi stoccare molta più energia.

Lo studio indica che il Li3V2O5 può affrontare oltre 6.000 cicli con trascurabile calo della capacità e può caricare e scaricare rapidamente l’energia assicurando oltre il 40% della sua capacità in 20 secondi. Il basso voltaggio e l’alto rate del trasferimento di energia sono dovuti a un peculiare meccanismo redistributivo di intercalazione del litio con basse barriere di energia.

Uno dei ricercatori autori del paper, Zhuoying Zhu, ha dato questi ulteriori dettagli: “abbiamo scoperto che il Li3V2O5 opera mediante un meccanismo di carica diverso da quello di altri materiali degli elettrodi. Gli ioni di litio si ridistribuiscono in un modo che risulta sia in basso voltaggio sia in una rapida diffusione del litio. Crediamo che ci siano altri materiali degli elettrodi che attendono di essere scoperti che operano con un meccanismo simile”.

Credito foto di apertura: ufficio stampa University of California San Diego