Solo il 2% dei veicoli è elettrificato fino ad oggi, ma si prevede che raggiungerà il 30% nel 2030. Una chiave per migliorare la commercializzazione dei veicoli elettrici (EV) è aumentare la loro densità di energia gravimetrica, misurata in wattora per chilogrammo, utilizzando materiali più sicuri, facilmente riciclabili e abbondanti. Il metallo di litio negli anodi è considerato il "Santo Graal" per migliorare la densità di energia nelle batterie dei veicoli elettrici rispetto alle opzioni esistenti come la grafite a 240 Wh/kg nella corsa per raggiungere una densità di energia più competitiva a 500 Wh/kg.
I ricercatori dell'Università di Houston stanno affrontando questa sfida con i colleghi della Rice University. Il team ha dimostrato un doppio miglioramento della densità energetica per le batterie al litio a stato solido a base organica utilizzando un processo assistito da solvente per alterare la microstruttura dell'elettrodo.
Stiamo sviluppando materiali catodici a base organica a basso costo, abbondanti in terra e privi di cobalto per una batteria a stato solido che non richiederà più i metalli di transizione scarsi trovati nelle miniere", ha affermato il team. “Questa ricerca è un passo avanti nell'aumento della densità di energia della batteria EV utilizzando questa alternativa più sostenibile.
Qualsiasi batteria include un anodo, noto anche come elettrodo negativo, e un catodo, noto anche come elettrodo positivo, che sono separati in una batteria da una membrana porosa. Gli ioni di litio fluiscono attraverso un conduttore ionico, un elettrolita, che consente la carica e la scarica di elettroni che generano elettricità per, ad esempio, un veicolo.
Gli elettroliti sono solitamente liquidi, ma non è necessario: possono anche essere solidi, un concetto relativamente nuovo. Questa novità, combinata con un anodo al litio-metallo, può prevenire i cortocircuiti, migliorare la densità di energia e consentire una ricarica più rapida.
I catodi determinano tipicamente la capacità e voltaggio di una batteria e sono successivamente la parte più costosa delle batterie a causa dell'utilizzo di materiali scarsi come il cobalto, destinato a raggiungere un deficit di 65,000 tonnellate nel 2030. I catodi a base di cobalto sono utilizzati quasi esclusivamente nelle batterie a stato solido grazie alla loro eccellente prestazione; solo di recente le batterie al litio a base di composti organici (OBEM-Li) sono emerse come un'alternativa più abbondante, più pulita e più facilmente riciclabile.
C'è grande preoccupazione riguardo alla catena di fornitura delle batterie agli ioni di litio negli Stati Uniti. In questo lavoro, i ricercatori mostrano la possibilità di costruire batterie al litio ad alta densità energetica sostituendo i catodi a base di metalli di transizione con materiali organici ottenuti da una raffineria di petrolio o da una bioraffineria, entrambe le quali gli Stati Uniti hanno la più grande capacità al mondo.
I catodi a base di cobalto generano 800 Wh/kg di energia specifica a livello di materiale, o tensione moltiplicata per la capacità, così come le batterie OBEM-Li, che è stato dimostrato per la prima volta dal team nella loro precedente pubblicazione, ma le precedenti batterie OBEM-Li erano limitate a la bassa frazione di massa dei materiali attivi dovuta alla microstruttura del catodo non ideale. Questo ha limitato la densità di energia totale.
Il team ha scoperto come migliorare la densità di energia a livello di elettrodo nelle batterie OBEM-Li ottimizzando la microstruttura del catodo per un migliore trasporto di ioni all'interno del catodo. Per fare ciò, la microstruttura è stata alterata utilizzando un solvente familiare: l'etanolo. Il catodo organico utilizzato era pirene-4,5,9,10-tetraone o PTO.
I catodi a base di cobalto sono spesso preferiti perché la microstruttura è naturalmente ideale, ma formare la microstruttura ideale in una batteria allo stato solido a base organica è più impegnativo.
A livello di elettrodo, la microstruttura assistita da solvente ha aumentato la densità di energia a 300 Wh/kg rispetto alla microstruttura mista a secco a poco meno di 180 Wh/kg, migliorando significativamente il tasso di utilizzo del materiale attivo. In precedenza, il numero di materiali attivi poteva essere aumentato ma la percentuale di utilizzo era ancora bassa, vicina al 50%.
Negli ultimi dieci anni, il costo di EV le batterie sono scese a quasi il 10% del loro costo originale, rendendole commercialmente sostenibili. Quindi, in un decennio possono succedere molte cose. Questa ricerca è un passo fondamentale nel processo verso veicoli elettrici più sostenibili e un trampolino di lancio per il prossimo decennio di ricerca. Di questo passo, forse tanto letteralmente quanto eufemisticamente, il futuro sembra molto più verde dall'altra parte.