Perché le batterie dei veicoli elettrici esplodono più velocemente di quanto pensassimo?

Si è creduto a lungo che i catodi monocristallini avrebbero risolto i problemi di durata delle batterie perché privi delle giunzioni interne (bordi di grano) dove tipicamente si formano le crepe. Ma un nuovo studio, pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology, rivela che alcuni monocristalli possono iniziare a fessurarsi dall'interno dopo soli 100 cicli di carica-scarica.

Perché il nichel non è sufficiente? La maggior parte dei produttori di veicoli elettrici punta su catodi con un alto contenuto di nichel, poiché ciò consente una maggiore densità energetica e un'autonomia maggiore. Il problema sorge ad alte tensioni, quando la rimozione del litio indebolisce i legami di ossigeno nella struttura. Quando si formano delle crepe, l'elettrolita liquido le penetra, innescando reazioni chimiche indesiderate. Queste reazioni non solo riducono la capacità, ma aumentano anche il riscaldamento e quindi il rischio di incendio.

Il team di ricerca guidato dal Dott. Jing Wang ha addirittura scoperto che il problema non sono le giunture, ma il movimento irregolare degli ioni di litio. All'interno di una singola particella cristallina, alcune regioni assorbono il litio più velocemente di altre. Questo crea incongruenze nel reticolo cristallino:

– La superficie della particella cambia rapidamente, mentre il nucleo resta indietro.
– Quando l’espansione o la contrazione superano il limite elastico del materiale, il cristallo si crepa.
– La ricarica rapida aumenta questi rischi perché costringe il litio a muoversi ancora più velocemente e in modo meno uniforme.

Sebbene l'industria stia cercando di ridurre l'uso del costoso cobalto, i test hanno dimostrato che una piccola quantità di questo elemento in monocristalli può effettivamente aiutare. Il cobalto "smussa" il flusso del litio e riduce la formazione di zone ad alta tensione. D'altra parte, il manganese in questi campioni ha rallentato le reazioni e aumentato la probabilità di cricche, pur essendo un'alternativa più economica e meno controversa dal punto di vista etico.

Gli scienziati sottolineano ora che il futuro delle batterie potrebbe non risiedere nella massimizzazione dell'energia, ma nell'assicurare reazioni uniformi in tutto il materiale. Il prossimo passo sarà trasferire queste conoscenze dalle particelle di laboratorio alle celle complete della batteria, che dovranno resistere alle condizioni di guida reali. L'obiettivo è trovare elementi accessibili che stabilizzino il nichel senza causare nuove forme di danno interno.