Il KAIST svela la causa del degrado delle prestazioni delle batterie al nichel per veicoli elettrici
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Le batterie ad alto contenuto di nichel, che sono batterie agli ioni di litio ad alta energia utilizzate principalmente nei veicoli elettrici, offrono un'elevata densità energetica ma soffrono di un rapido degrado delle prestazioni. Un gruppo di ricerca del KAIST ha identificato, per la prima volta a livello mondiale, la causa fondamentale del rapido deterioramento (degrado) delle batterie ad alto contenuto di nichel e ha proposto un nuovo approccio per risolverlo.
Il 3 dicembre il KAIST ha annunciato che un gruppo di ricerca guidato dal professor Nam-Soon Choi del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, in collaborazione con un gruppo di ricerca guidato dal professor Dong-Hwa Seo del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, ha rivelato che l'additivo elettrolitico "succinonitrile" (CN4), utilizzato per migliorare la stabilità e la durata delle batterie, è in realtà il principale responsabile del degrado delle prestazioni delle batterie ad alto contenuto di nichel.
In una batteria, l'elettricità viene generata dagli ioni di litio che viaggiano tra il catodo e l'anodo. Una piccola quantità di CN4 è inclusa nell'elettrolita per facilitare il movimento del litio. Il team di ricerca ha confermato attraverso calcoli al computer che il CN4, che ha due strutture nitriliche (-CN), si attacca in modo eccessivamente forte agli ioni di nichel sulla superficie del catodo ad alto tenore di nichel.
La struttura nitrilica è una struttura "a gancio", in cui il carbonio e l'azoto sono legati da un triplo legame, che la fa aderire bene agli ioni metallici. Questo forte legame distrugge il doppio strato elettrico protettivo (EDL) che dovrebbe formarsi sulla superficie del catodo. Durante il processo di carica e scarica, la struttura del catodo viene distorta (distorsione di Jahn-Teller) e anche gli elettroni dal catodo vengono attirati verso il CN4, con conseguente rapido danneggiamento del catodo.
Gli ioni di nichel che fuoriescono durante questo processo migrano attraverso l'elettrolita verso la superficie dell'anodo, dove si accumulano. Questo nichel agisce come un "catalizzatore cattivo" che accelera la decomposizione dell'elettrolita e spreca il litio, accelerando ulteriormente il degrado della batteria.
Diverse analisi hanno confermato che il CN4 trasforma la superficie del catodo ad alto contenuto di nichel in uno strato anomalo carente di nichel e modifica la struttura normalmente stabile in una struttura anomala "a sale di roccia".
Ciò dimostra la duplice natura del CN4: pur essendo utile nelle batterie LCO (ossido di litio e cobalto), in realtà causa il collasso strutturale nelle batterie ad alto nichel con un elevato rapporto di nichel.
Questa ricerca ha un significato significativo come analisi precisa che va oltre il semplice controllo delle condizioni di carica/scarica, fino a chiarire l'effettivo trasferimento di elettroni che avviene tra gli ioni metallici e le molecole dell'elettrolita. Sulla base di questo risultato, il team di ricerca intende sviluppare un nuovo additivo elettrolitico ottimizzato per i catodi ad alto contenuto di nichel.
Il professor Nam-Soon Choi ha dichiarato: "Una comprensione precisa a livello molecolare è essenziale per migliorare la durata e la stabilità delle batterie. Questa ricerca aprirà la strada allo sviluppo di nuovi additivi che non si legano eccessivamente al nichel, contribuendo in modo significativo alla commercializzazione delle batterie ad alta capacità di prossima generazione".
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