L’idea NFA: una sigla per catodi senza cobalto

All’Oak Ridge National Laboratory, un gruppo diretto dallo scienziato Ilias Belharouak procede bene sulla strada di batterie con catodi ad alto contenuto di nichel: con le sue licenze si mette in moto la startup Sparkz Inc. che punta a commercializzarle

Nell’elenco delle materie prime considerate critiche per le batterie dei veicoli elettrici, il cobalto è sempre o quasi sempre ai vertici. In un’auto con una batteria di grande capacità, da 100 kWh ad esempio, può esserci un contenuto di 20 chilogrammi di questo materiale, che può rappresentare il 20% in peso di un catodo, l’elettrodo positivo di una cella.

Molti produttori di batterie e gruppi auto guardano con favore al limitare la rilevanza di questo componente incluso in catodi che contengono anche nichel, alluminio, manganese, oppure a disfarsene. Aspirazione dovuta a motivi che vanno dalla complessità della catena della fornitura (è presente dove ci sono altre attività estrattive che riguardano nichel o rame) alle tematiche etiche per la sua rilevante abbondanza in paesi africani dove è difficile assicurare che tutte le attività trattino in modo adeguato chi è coinvolto nel lavoro, specie a monte nella filiera.

Mentre alcuni produttori iniziano ormai ad avviare linee di montaggio di celle prive di cobalto (come nel caso della cinese Svolt) anche l’attività di ricerca rispecchia questi obiettivi: ad esempio il dipartimento americano dell’Energia tramite il suo Vehicle Technology Office sovvenziona diversi programmi che puntano a ottenere catodi privi di cobalto stabili e adatti alla rapida (rapido nelle batterie non vuol mai dire poche settimane, piuttosto pochi anni) commercializzazione.

Uno di questi progetti fa capo a Ilias Belharouak presso l’Oak Ridge National Laboratory, col supporto di XALT Energy e del Nissan Technical Center. L’obiettivo è di sviluppare una nuova classe di catodi privi di cobalto battezzata con la sigla NFA (da nichel, ferro e alluminio), classe che appartiene al gruppo più ampio delle batterie cosiddette nickel-rich.

Accanto all’elevato contenuto di nichel, i ricercatori guidati da Belharouk utilizzano ferro ed alluminio per bilanciare la preponderanza del nichel come metallo di transizione, presente nei catodi all’80%; in futuro hanno l’intenzione di passare al 90% o perfino oltre.

Arrivare ad una classe di catodi NFA non era un processo scontato: agli addetti ai lavori erano noti infatti ostacoli come la tendenza del ferro al disciogliersi in certi composti o la sua mancanza di stabilità ad alti voltaggi (le batterie commerciali LFP a base ferrosa come noto hanno voltaggio inferiore a quello delle celle concorrenti con chimica NCM o NCA, in cui non c’è ferro).

Belharouk ed il suo gruppo sono convinti che il nichel continuerà nel prossimo futuro a fare notizia, e la loro ambizione di scienziati è continuare a contribuire dalla posizione in cui sono in un laboratorio federale, a ricerca che va considerata ancora a bassa maturità tecnologica, che per questo attira assai poco le case produttrici di batterie ad addossarsene gli sforzi.

Credito immagine: Ilias Belharouak/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy

In questo ambito i ricercatori trovano promettente che ad essi sia stato possibile pubblicare i risultati di esperimenti di laboratorio con catodi sottoposti per 200 cicli a tassi C/3 (o se preferite ciclati per tre ore) e col risultato che il materiale per i catodi (per gli addetti ai lavori LI1.0Ni0.85Fe0.052Al0.091O2) dell’Oak Ridge National Laboratory ha mostrato una tendenza ad “affaticarsi” e decadere inferiore a quella di catodi nickel-rich con presenza di nichel all’80% del contenuto o superiore.

Grazie al supporto di partner come il Vehicle Technology Office federale, tra gli altri settori di indagine aperti in futuro dal gruppo di Belharouk ci saranno le immancabili batterie con elettroliti allo stato solido, sebbene attualmente lo scopo primario sia capire fino nei minimi particolari i nichelati, che certamente hanno ancora segreti da rivelare. Uno riguarda i coating ideali per catodi NFA.

Per trovare rivestimenti in grado di proteggere e valorizzare adeguatamente gli elettrodi nel laboratorio di Oak Ridge stanno lavorando a soluzioni che si basano su zirconio (già studiato dal gruppo per il coating di catodi LNMO), fosfati nonché a metodi di manifattura additiva basati sugli ultrasuoni che altri ricercatori dello stesso centro ricerche ha applicato in metallurgia ed altri ambiti.

Per trasferire dal laboratorio al mercato i risultati della ricerca l’Oak Ridge National Laboratory non andrà oltre prototipi di celle da 2-3 Ah. Piuttosto potrà contare sulla risorsa della startup Sparkz Inc., che finora ha già ottenuto cinque licenze esclusive su tecnologie finalizzate ad eliminare il cobalto dalle batterie litio-ione.

Tra le licenze acquisite e che serviranno a creare le prime serie di celle prototipo da realizzare su piccola scala per test in applicazioni concrete in veicoli elettrici, ci sono nuovi materiali per gli elettrodi, una formulazione di elettrolita non acquoso basato su LiFSI e processi chimici da riproporre per linee su ampia scala.

Sparkz sta attualmente valutando varie zone americane come possibili sedi per un centro ricerche e per la sua prima struttura di produzione di prototipi da proporre alla potenziale clientela dei settori dell’industria dello stoccaggio e dei veicoli elettrici.

Credito foto di apertura: Ilias Belharouak/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy