Toshiba vuol farsi sentire nelle batterie e punta su catodi LMNO
La casa giapponese ha presentato a Osaka il prototipo in formato pouch di una cella agli ioni di litio che combina il suo nuovo catodo con un anodo in ossido di niobio e titanio: una potenziale rivale per le celle LFP
Sembra destinata ad ampliarsi l’offerta di celle che propongono alternative poco esposte alla presenza di minerali critici, dalla stabilità elevata e dai costi competitivi. Nei mesi più recenti questo è stato quasi sinonimo di celle a base ferrosa (LFP) con elevato interesse anche da parte di gruppi auto occidentali, che hanno presentato progetti al riguardo, da Ford a Stellantis, appena poche settimane fa.
Tra i player delle batterie che non vengono molto spesso citati, c’è anche un nome storico dell’industria giapponese. Toshiba Corporation ha sviluppato una nuova batteria agli ioni di litio utilizzando un materiale catodico ad alto potenziale da 5 V privo di cobalto in grado di sopprimere significativamente quei gas che sono stati uno dei principali ostacoli al diffondersi della chimica del catodo LMNO, perché tendevano a degradarne le prestazioni con reazioni collaterali durante la vita operativa dell’elettrolita liquido.
Toshiba ha presentato la sua tecnologia del catodo al recente 64° Battery Symposium of Japan, conclusosi a fine novembre all’Osaka International Convention Center. L’azienda continuerà a migliorarsi per portare la tecnologia verso la commercializzazione nel 2028.
Nel considerare le potenziali applicazioni della nuova cella, Toshiba sta valutando la possibilità di utilizzarla in primo luogo in utensili elettrici, apparecchiature industriali e altre applicazioni in cui le dimensioni ridotte e l’alta tensione siano un particolare valore aggiunto. In seguito, l’azienda punterà a sviluppare anche celle più grandi per applicazioni veicolari.
Il cobalto e il nichel sono ampiamente utilizzati per stabilizzare i catodi delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, il cobalto è un metallo raro e ci sono potenziali problemi nella stabilità dei costi e nell’affidabilità della catena di approvvigionamento. Ci sono anche preoccupazioni per il nichel, poiché l’aumento della domanda negli ultimi anni ha in passato spinto al rialzo i prezzi di mercato.
Il nuovo catodo della batteria agli ioni di litio di Toshiba è privo di cobalto e contiene meno nichel, il che lo rende una soluzione superiore in termini di costi e risparmio di risorse. L’uso di un catodo ad alto potenziale di classe 5V nelle batterie agli ioni di litio aumenterà la tensione delle celle e le prestazioni di potenza, ma il suo sviluppo è stato frenato da un problema pratico.
Una reazione collaterale provoca la decomposizione dell’elettrolita e la generazione di gas che degrada le prestazioni della batteria. Il nuovo catodo di Toshiba sopprime significativamente la generazione di gas se utilizzato con un elettrolita convenzionale ad alta conduttività.
Nei test, la batteria dimostra un valore di tensione di oltre 3V, una ricarica rapida all’80% della capacità in 5 minuti, prestazioni ad alta potenza ed eccellenti caratteristiche di durata, anche a una temperatura di 60 °C. Le applicazioni target per le batterie spaziano dagli utensili elettrici e dalle applicazioni industriali che richiedono alta tensione con un piccolo pacco batterie, fino ai veicoli elettrici.
Toshiba con la ricerca e lo sviluppo della sua cella con catodo LMNO si inserisce nel filone dei produttori che cercano di allontanare le incognite dell’impiego di metalli come cobalto e nichel. L’ossido di nichel manganese (LNMO), è una struttura di tipo spinello, ad alto potenziale, senza cobalto e a basso contenuto di nichel. Pertanto è visto come un buon candidato come futuro catodo nelle batterie agli ioni di litio, e tra gli altri da una casa cinese emergente come SVolt, che sta aprendo le sue fabbriche anche in Europa.
A livello di ricerca è noto che i catodi LMNO vantino qualità notevoli dal punto di vista del potenziale, dell’alta densità di energia, buoni cicli di vita e capacità di sopportare rate elevati. Qualcosa che riguarda a medio termine anche l’automotive visto che conosciamo gli sforzi per aumentare le tensioni dei pacchi batterie, per ridurre i tempi di ricarica, al fine di migliorare l’efficienza dell’elettronica di bordo, compreso motore e inverter. Celle a tensione più elevata ridurranno anche il numero di elementi necessari ai moduli riducendo i costi.
Ma l’elevato potenziale di lavoro dell’LNMO ossida l’elettrolita della batteria, decomponendolo in un gas che produce un significativo rigonfiamento della batteria e ne riduce la durata. Ci sono stati più tentativi di migliorare la resistenza all’ossidazione dell’elettrolita aumentando le concentrazioni di elettroliti e utilizzando solventi fluorurati e liquidi ionici, ma questo approccio comporta un compromesso tra la generazione di gas soppresso e la conduttività degli ioni di litio. L’applicazione pratica ha dovuto affrontare molti problemi di costi e prestazioni.
La ricerca di Toshiba ha messo a fuoco come l’elettrolita si decomponga sulla superficie di un catodo ad alto potenziale e generi gas, e che la componente metallica del materiale catodico si dissolve e si deposita sulla superficie dell’anodo. L’azienda ha utilizzato questi risultati per sviluppare una tecnologia che modifica la superficie delle particelle catodiche, sopprimendo efficacemente la reazione con l’elettrolita. Ha inoltre sviluppato una processo che disattiva gli ioni trasferiti sulla superficie dell’anodo. In combinazione, queste tecnologie sopprimono con successo la generazione di gas, anche con un elettrolita convenzionale ad alta conduttività.
Toshiba ha valutato la nuova tecnologia con un prototipo di batteria pouch da 1,5 Ah con anodo all’ossido di niobio e titanio, una alternativa alla tradizionale grafite (settore a dominante presenza dell’industria cinese) a cui la ricerca dei giapponesi si dedica da diverso tempo.
I test della batteria hanno rilevato un’alta tensione di 3 V o superiore, una ricarica rapida all’80% della capacità in 5 minuti, una durata che ha mantenuto l’80% o più della capacità iniziale dopo oltre 6.000 cicli di carica/scarica ed eccellenti caratteristiche di durata anche ad una temperatura elevata di 60 °C.
Nella tabella che accompagna la nota stampa relativa alla presentazione ad Osaka, Toshiba confronta la nuova cella LMNO al proprio prodotto commerciale SCiB (uscito nel 2008 e in seguito aggiornato, finora più apprezzato negli usi di accumulo) e a una tipica cella LFP, sebbene per caratteristiche e obiettivi di prezzo potrebbe avere come concorrenti futuri anche celle agli ioni di sodio.
Nella tabella peraltro non è neppure inserito il confronto con le celle più recenti e performanti tipo LMFP, che condividono la struttura olivina ma con la presenza del manganese alzano leggermente il voltaggio rispetto alle LiFePO4 e anche la densità di energia tra il 15% e il 20%, sebbene non abbiano una durata analoga alle batterie “cugine”
In effetti rispetto a una cella tradizionale a base ferrosa come la LiFePO4, la Toshiba LMNO promette miglior durata operativa, quasi il doppio, migliori prestazioni a temperature estreme e più ampia capacità di ricarica ultra-rapida, mentre il voltaggio operativo sarà analogo: 3,15V per la nuova Toshiba LMNO contro 3,2V per una comune cella LFP commercialmente diffusa.
