Le promesse delle celle con catodi basati su materiali organici
I chimici dell’MIT hanno sviluppato un catodo basato su materiali organici, chinoni e ammine: potrebbe ridurre la futura dipendenza dell’industria dei veicoli elettrici dai metalli critici
I prezzi delle materie prime in questi giorni sono depressi, specialmente se si tratta di nichel e litio, ma minerali critici come quei due e altri come il cobalto continuano a tenere sulle spine tutta la filiera delle batterie che se ne serve per le batterire che supportano la mobilità elettrica e più in generale la transizione energetica.
Finora la ricerca delle alternative ha puntato su minerali come il sodio o in misura minore altri metalli, molto meno su materiali organici per i catodi, per problematiche che ne hanno fin qui ostacolato la percorribilità pratica.
Le cose potrebbero cambiare dopo la pubblicazione dei risultati di uno studio di ricercatori del MIT che hanno sviluppato un materiale per i catodi delle celle che potrebbe offrire un modo più sostenibile per stoccare l’energia, inclusa quella necessaria ai veicoli elettrici.
La nuova batteria agli ioni di litio conta su un catodo layered, stratificato come lo sono le batterie ternarie oggi dominanti, ma a base di materiali organici anziché cobalto e nichel abbinati a manganese o alluminio.
Un aspetto interessante dello studio è che i ricercatori guidati da Mircea Dinca, chimico che occupa la cattedra W.M. Keck al MIT, sono stati finanziati da Automobili Lamborghini, che ha supportato questa ricerca avanzata su iniziativa di uno dei suoi cervelli più attivi: Riccardo Parenti.
Tra chi ha firmato il paper troviamo anche Alessandro Franceschi, già dottorando all’Università di Bologna che dopo aver terminato i propri studi è passato a PowerCo, l’hub delle batterie del gruppo Volkswagen con sede a Salzgitter. “Mi sono occupato di test sperimentali e modellazione/simulazione con l’obiettivo di caratterizzare il nuovo materiale utilizzato come catodo”, ha precisato il suo ruolo nello studio il ricercatore italiano.
Lo studio è stato pubblicato dalla rivista scientifica ACS Central Science col titolo “A Layered Organic Cathode for High-Energy, Fast-Charging, and Long-Lasting Li-Ion Batteries” e ad esso hanno collaborato anche Tianyang Chen, Harish Banda, Jiande Wang e Julius Oppenheim.
I risultati dei ricercatori hanno dimostrato che il materiale scelto per i catodi, il bis-tetraaminobenzochinone chiamato TAQ per brevità, può condurre l’elettricità a velocità simili a quelle delle batterie ternarie, ha una capacità di stoccaggio paragonabile e può essere ricaricato più velocemente.
Inoltre questo nuovo materiale di una famiglia già esplorata nella ricerca, sia su alternative per celle agli ioni di litio che in batterie con ioni multivalenti, potrebbe essere prodotto a un costo molto inferiore rispetto alle batterie basate su catodi inorganici contenenti cobalto e altri minerali critici. Nella struttura del catodo TAQ infatti troviamo ossigeno, idrogeno e azoto.
“Penso che questo materiale potrebbe avere un grande impatto perché funziona davvero bene”, ha commentato il Professor Dinca. “È già competitivo con le tecnologie esistenti e può far risparmiare molti costi, difficoltà e problemi ambientali legati all’estrazione dei metalli che attualmente vanno nelle batterie”.
Il lavoro dei ricercatori ha trovato un nuovo percorso dove altri finora avevano imboccato un vicolo cieco. Sebbene già ampiamente indagati, la maggior parte dei materiali organici non era stata in grado di eguagliare le prestazioni delle celle ternarie commerciali per quanto riguarda la conduttività, la densità di energia e la durata, tutti aspetti ben noti a scienziati ed esperti.
Per rimediare al problema della loro bassa conduttività, precedenti ricerche avevano fatto ricorso alla miscelazione con leganti quali i polimeri, in grado di migliorarne la capacità di condurre energia. Ma aggiungere polimeri, presenti in alcune celle-pilota con percentuali di almeno il 50% del materiale complessivo, riduceva radicalmente la densità di energia di queste batterie.
Circa sei anni fa il laboratorio di Dinca aveva iniziato a lavorare su un progetto per sviluppare una batteria con catodo in materiale organico che potesse essere utilizzata per alimentare le auto elettriche. Mentre lavoravano su materiali porosi in parte organici e in parte inorganici, lo scienziato i suoi studenti si resero conto che un materiale per catodo completamente organico da loro realizzato sembrava dimostrare buone doti di conduttività.
Nel paper si può leggere che la conduttività elettrica del TAQ è al livello di celle LCO (che la fanno da padrone nell’elettronica di consumo) e delle miglior celle ternarie NMC (presenti nei pacchi delle auto elettriche che dichiarano le migliori autonomie) ed è cinque ordini di grandezza più alta delle sempre più diffuse celle LFP. Queste proprietà consentono di realizzare elettrodi con una minima parte di additivi, mentre oggi si usano nella produzione commerciale additivi fino al 40% del peso.
I molti strati di TAQ, una piccola molecola organica che contiene tre anelli esagonali fusi, possono estendersi verso l’esterno in ogni direzione, formando una struttura simile alla grafite che oggi è usata nella stragrande maggioranza degli anodi delle batterie agli ioni di litio. All’interno delle molecole ci sono gruppi chimici chiamati chinoni, veri serbatoi di elettroni, e ammine, che aiutano il materiale a formare forti legami di idrogeno.
Questi legami contribuiscono a rendere il materiale altamente stabile e anche molto insolubile. La stabilità è anche un sinonimo di sicurezza: come noto i legami idrogeno forti sono una delle ragioni principali per cui tra i prodotti commerciali le batterie a base ferrosa sono considerate più stabili e sicure di quelle ternarie.
Ma altrettanto decisiva per la percorribilità pratica di queste celle con catodi innovativi è quello della insolubilità: è importante perché impedisce al materiale di dissolversi nell’elettrolita della cella, come fanno alcuni materiali organici delle batterie, assicurandone così la durata.
“Uno dei principali metodi di degradazione dei materiali organici è che questi si dissolvono semplicemente nell’elettrolita della batteria e passano dall’altro lato della batteria, creando essenzialmente un cortocircuito. Se si rende il materiale completamente insolubile, questo processo non avviene, quindi possiamo arrivare a oltre 2.000 cicli di carica con un degrado minimo”, afferma Dinca.
I test condotti su questo materiale hanno dimostrato che la sua conduttività e densità di energia sono paragonabili a quelle delle tradizionali celle ternarie ad alto contenuto di nichel e contenenti cobalto, come si evince dalla tabella tratta dal paper. Inoltre possono essere caricate e scaricate più velocemente rispetto alle batterie oggi più diffuse.
Per stabilizzare il materiale organico e aumentare la sua capacità di aderire al collettore di corrente della cella, in rame o alluminio, i ricercatori hanno aggiunto additivi, servendosi di cellulosa e/o gomma. Questi additivi costituiscono meno di un decimo del catodo nel suo complesso, quindi non riducono in modo significativo la capacità della batteria. Inoltre i produttori che un giorno realizzeranno celle commerciali non dovranno più occuparsi delle conseguenze dell’impiego di additivi tossici come il NMP.
Nel passaggio spesso difficile dai laboratori universitari alla produzione di massa, i catodi TAQ basati sui materiali organici sembrano partire col piede giusto. Sebbene al MIT non siano stati applicati a grandi celle prismatiche o laminate come quelle oggi usate su auto e SUV elettrici ma in molto più maneggevoli celle a bottone tipo CR2032, una loro qualità fa credere che saranno in grado di effettuare senza traumi il passaggio alla scala industriale.
I catodi TAQ hanno una alta densità cristallografica che si tradurrà in elevata capacità areale, il che consentirà di sopportare bene alti carichi di lavoro. Nelle celle TAQ con additivi in cellulosa e gomma messi alla prova con elettroliti commerciali comuni sono state misurate capacità di 230 mAh g-1 corrispondenti a capacità areali di 3,52 mAh cm-2 che le rendono competitive nella pratica.
I materiali primari necessari per produrre questo tipo di catodo sono un precursore del chinone e un precursore dell’ammina, che sono già disponibili in commercio e prodotti in grandi quantità come prodotti chimici di base. I ricercatori stimano che il costo materiale per l’assemblaggio di queste batterie organiche potrebbe essere da un terzo alla metà del costo delle batterie ternarie.
Non guasta neppure, considerata la sistematica cattiva pubblicità cui sono esposti i produttori di batterie da parte della propaganda contraria alla transizione, che la futura clientela abbia presumibilmente poche remore a utilizzare prodotti come i chinoni che oggi sono associati a materiali che poco hanno a che fare con l’industria ma anzi legati a stili di vita sani come vitamine e integratori o ai prodotti cosmetici (hennè).
Il gruppo di lavoro guidato dal Professor Dinca prevede di continuare a sviluppare materiali alternativi per le batterie e sta esplorando la possibile sostituzione del litio con sodio o magnesio, minerali più economici e le cui riserve sono più abbondanti di quelle del litio.
