Batterie al Litio per auto elettriche: gli studi avanzati di Nissan

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Tecniche di analisi microscopiche applicate alla superficie degli elettrodi per scoprire i meccanismi di reazione che coinvolgono il Litio

Nissan ha reso noto di aver sviluppato una tecnica di analisi molto approfondita che consentirà di migliorare la durata e e aumentare la capacità delle batterie al litio utlizzate dalle auto, che come sappiamo bene è uno dei punti chiave legati alla diffusione di massa dei veicoli elettrici.

Per migliorare le prestazioni delle batterie al Litio, in termini di densità di energia e di potenza, occorre ottimizzare il comportamento dei reagenti chimici sui siti di reazione, che consistono nella superficie degli elettrodi della batteria, e/o aumentare la superficie dei siti di reazione stessi.

Come spesso discusso su GreenStart, un approccio per aumentare la superficie dei siti di reazione è quello di costruire elettrodi con nanostruttura fortemente porosa, per esempio con nanotubi di carbonio come ossatura portante, oppure con tecniche di sinterizzazione dell’elettrodo a partire da microparticelle aggrappate a sferule o nanogusci di altro materiale, e perfino mettendo al lavoro dei virus geneticamente modificati per rendere più rugosa la superficie dei nanotubi.

Se queste tecniche si occupano di aumentare la superficie di reazione, cosa senza dubbio utile per aumentare la potenza erogabile e l’energia immagazzinabile, non hanno però messo al centro dell’attenzione un chiarimento sui meccanismi di reazione e sui processi di trasferimento elettronico che avvengono nelle ossidoriduzioni.

È di questo che si è occupata Nissan, che ha combinato in modo innovativo dei metodi di supercalcolo con un sottotipo di spettroscopia a raggi X particolarmente adatto a studiare gli elettroni coinvolti nelle reazioni di cella.

Con la spettroscopia a raggi X è possibile eccitare degli elettroni appartenenti a un ben preciso livello orbitale, portandoli in uno stato eccitato per dedurne la condizione nello stato pre-eccitazione.

Immagine tratta da Wikipedia
Con una precisa regolazione dell’energia dei raggi X usati è possibile “sintonizzarsi” sul limite di assorbimento energetico caratteristico dell’orbitale desiderato. Sintonizzandosi, come per lo più avviene, sul livello di assorbimento K, si possono studiare gli elettroni dell’orbitale più interno e più vicino al nucleo atomico, l’1s; tuttavia, tranne che per l’idrogeno e l’elio, che non hanno orbitali più esterni, gli elettroni di questo orbitale non sono quelli coinvolti nelle reazioni chimiche.

È più importante osservare il comportamento di elettroni appartenenti ad altri orbitali e per farlo occorre sintonizzare la spettroscopia su altri limiti di assorbimento; studiando il livello L1 ci si può focalizzare sull’orbitale immediatamente più esterno, il 2s, nel quale si trova l’unico elettrone del Litio che sia coinvolto nelle reazioni chimiche che interessa studiare. Studiando anche i livelli L2 ed L3 si possono studiare anche orbitali ancora più esterni presenti non nel Litio ma in altri elementi con cui il Litio reagisce nella batteria.

Grazie a questa tecnica di analisi appositamente “sintonizzata” sugli elementi in gioco nell’elettrochimica delle batterie al Litio e con l’impiego di tecniche di supercalcolo per l’elaborazione dei dati e l’interpretazione dei risultati, Nissan sta studiando materiali ottimizzati il cui uso nelle batterie al Litio potrebbe aumentare la densità energetica anche del 150%, secondo il colosso giapponese.

Una migliore comprensione del meccanismo di scambio elettronico fra Litio e altri elementi può consentire di selezionare composti più idonei a facilitare le reazioni necessarie. Anche se è perfettamente chiaro che, come in tutte le ossidoriduzioni, avvengano scambi di elettroni fra i reagenti delle due semireazioni, con un bilancio complessivo di carica facilmente determinabile, per trovare nuovi modi di agevolare le reazioni sarebbe importante comprendere precisamente in quale atomo hanno origine o hanno destinazione gli elettroni coinvolti in questi scambi.

Un primo risultato citato da Nissan (evidentemente emerso studiando batterie con tradizionali elettrodi all’ossido di manganese) sta nella constatazione che gli elettroni originati dall’atomo di ossigeno risultano essere quelli maggiormente attivi durante il processo di carica, mentre durante il processo di scarica gli elettroni in gioco parrebbero invece essere quelli legati all’atomo di manganese.

La società che si occupa di questi studi è Nissan Arc, controllata al 100% da Nissan Motor. Collabora con le università di Tokyo, Kyoto e Osaka.
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1 COMMENTO

  1. Da quanto avete discusso per la possibilità di incrementare la densità di energia del 150% delle batterie al litio ricorrendo a prestazioni migliori dei materiali coinvolti ricordo che le Litio-ione funzionano grazie ad un meccanismo noto come Intercalazione di Li+ nel cristallo catodico in fase di Scarica e di Disintercalazione di Li+ dal cristallo catodico in fase di Carica. Ovvero gli ioni litio funzionano come passeggeri di un autobus (il cristallo) di “Mn02”, “CoO2”, “NiO2”, o il Ferrofosfato “FePO4”, ecc da cui salgono nella scarica e scendono nella carica. Questo fenomeno è dovuto al piccolo volume del Li+ che può entrare ed uscire facilmente dal reticolo cristallino del catodo. Tuttavia questo meccanismo di intercalazione riguarda anche l’anodo dove il materiale cristallino che funge da BUS è la grafite, il carbone attivo, il grafene, la grafite soffiata o schiuma di grafite ecc. E’ chiaro che si tratta allo stato attuale solo di materiali a base di Carbonio. Pertanto questo possibile incremento se mai ci sarà NON coinvolgerà i materiali attuali ma altri materiali come per esempio il boro i cui materiali utili alla Intercalazione del Litio sono i BORANI. Questo però è il futuro da qui a 20 anni. Invece è prevedibile che la grande svolta potrà essere nel giro di 5/10 anni il passaggio della chimica del litio nelle batterie senza uso di solventi liquidi organici necessari nella zona della interfase tra ANODO/CATODO come EC,(Etilen carbonato), DEC (Dietilencarbonato), PC (propilencarbonato) ed altri. Tale proposta implica la costituzione di Batterie al Litio TUTTE SOLIDE. Un’altro possibile scenario di cui invece si sente discutere poco è l’utilizzo massiccio dell’alluminio con le eccezionali prestazioni delle Al/aria offuscate ancora oggi dal costosissimo Litio.

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