Catodi ricchi di litio, il disordine dei cationi migliora le prestazioni

Introdurre intenzionalmente disordine nella struttura cristallina potrebbe migliorare le prestazioni dei catodi ricchi di litio. Un gruppo guidato dal professor Kyojin Ku della Hanbat National University ha applicato questo approccio alla composizione Li₁.₂Ni₀.₄Mn₀.₄O₂, ottenendo capacità superiore e un comportamento più stabile rispetto al materiale ordinato corrispondente.

Il materiale disordinato ha conservato circa il 90% della capacità iniziale dopo 50 cicli, senza una riduzione della tensione. Nei test ha inoltre mostrato un andamento di carica e scarica più simmetrico e prestazioni migliori a correnti elevate.

Il problema della migrazione dei metalli

I catodi ricchi di litio possono immagazzinare più carica rispetto ai materiali oggi impiegati nelle batterie di veicoli elettrici e dispositivi elettronici. Il loro sviluppo è però condizionato dalla migrazione degli ioni dei metalli di transizione durante i cicli di carica e scarica.

Ioni come quelli di nichel e manganese possono lasciare le posizioni originarie nella struttura cristallina e ostruire i percorsi attraversati dal litio. Il suo movimento viene così rallentato, contribuendo a una perdita irreversibile delle prestazioni durante l'utilizzo ripetuto.

L'approccio studiato finora ha puntato soprattutto a preservare l'ordine della struttura cristallina. Il gruppo della Hanbat National University ha invece verificato l'ipotesi opposta: distribuire più casualmente il litio e i metalli di transizione per ostacolare la migrazione di questi ultimi.

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Come è stata ottenuta la struttura disordinata

La composizione esaminata è basata su nichel e manganese e non impiega cobalto. Nella configurazione ordinata forma una struttura stratificata, con gli ioni di litio e quelli dei metalli di transizione collocati su piani separati.

Per produrne una versione disordinata, i ricercatori hanno sottoposto due materiali di partenza stratificati e strutturalmente compatibili a macinazione a sfere ad alta energia. Il processo meccanochimico ha modificato la disposizione dei cationi, distribuendo in modo più casuale gli ioni di litio, nichel e manganese.

Secondo Ku, per quanto noto al gruppo di ricerca, questa è la prima volta che una composizione di questo tipo viene prodotta nella forma disordinata. Lo studio, pubblicato su Energy Storage Materials, descrive il materiale risultante come una struttura disordinata di tipo salgemma.

Percorsi separati per litio e metalli di transizione

L'analisi teorica e computazionale ha collegato le prestazioni osservate alla separazione tra il movimento del litio e quello dei metalli di transizione. Nella struttura disordinata, il litio può attraversare una rete connessa di percorsi aperti, mentre gli ioni di nichel e manganese rimangono sostanzialmente bloccati e non riescono a ostruirli.

I risultati indicano quindi che il disordine dei cationi può essere impiegato deliberatamente come strumento di progettazione dei catodi. Secondo Ku, un ulteriore sviluppo del principio potrebbe avvicinare i materiali ricchi di litio all'impiego commerciale e contribuire alla realizzazione di batterie più durature per veicoli elettrici e sistemi di accumulo dell'energia.

Una domanda per voi

Quali aspetti dei catodi ricchi di litio dovrebbero essere approfonditi prima di valutarne un possibile impiego commerciale?

Nota sulla redazione: questo articolo è stato realizzato con il supporto di EVA AI.