Ricerca sulle batterie: la distribuzione degli isotopi del litio funge da “impronta digitale” dei processi di invecchiamento
Un nuovo metodo diagnostico rileva il degrado della batteria prima rispetto alla misurazione della capacità
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La durata delle batterie agli ioni di litio è limitata da complessi processi di invecchiamento, le cui cause sono spesso difficili da distinguere l’una dall’altra. I ricercatori dell’Istituto federale tedesco per la ricerca e il collaudo dei materiali (BAM) hanno dimostrato che la distribuzione di due isotopi del litio nelle celle, come una sorta di “impronta digitale”, è direttamente correlata ai processi di degrado. Questa correlazione apre nuove possibilità per comprendere meglio i meccanismi di invecchiamento e ottimizzare le batterie in modo più mirato.
La distribuzione degli isotopi del litio 6 e 7 in una cellula lascia un’impronta caratteristica e può fungere da strumento diagnostico per i processi di invecchiamento.
BAM
Le batterie agli ioni di litio rappresentano una tecnologia chiave per la transizione energetica. Nonostante i continui progressi in termini di prestazioni e durata, rimane tuttavia irrisolto un problema fondamentale: con ogni ciclo di carica e scarica, le celle invecchiano. La loro capacità diminuisce e le prestazioni calano.
Ciò è dovuto a diversi processi complessi che avvengono all’interno della batteria. Finora non è stato possibile identificare con certezza questi meccanismi di invecchiamento e distinguerli l’uno dall’altro. I metodi diagnostici convenzionali mostrano sì che una batteria sta invecchiando, ma spesso forniscono solo informazioni limitate su quando, dove e attraverso quale meccanismo viene innescato il degrado.
Un team del BAM guidato da Carlos Abad e Beatrice Battistella ha sviluppato un nuovo approccio, pubblicato sulla rivista specializzata ACS Energy Letters. I ricercatori utilizzano la distribuzione di due isotopi del litio all’interno di una cella come strumento diagnostico per i processi di invecchiamento. Le loro tracce e i loro modelli caratteristici forniscono un’impronta digitale dei meccanismi di degrado sottostanti.
Il metodo sfrutta il fatto che il litio naturale è costituito dai due isotopi litio-6 e litio-7, leggermente più pesante. Si tratta di varianti dello stesso elemento chimico con un numero diverso di neutroni. Nelle batterie nuove, entrambi gli isotopi del litio sono distribuiti come in tutti i giacimenti naturali di questo metallo alcalino, ovvero in un rapporto del 2,4% a 97,6%. In particolare, i ricercatori hanno studiato una batteria al litio con un catodo in ossido di litio-nichel-manganese-cobalto (NMC) e un anodo in grafite. Già dopo i primi cicli di ricarica, il litio-6 si è accumulato prevalentemente sull’anodo. Dopo altri 280 cicli, questo effetto si è accentuato, mentre il catodo presentava livelli di litio-7 notevolmente più elevati. Contemporaneamente, la capacità delle celle è diminuita.
La rilevazione è stata resa possibile da una tecnica di spettrometria di massa ad alta risoluzione, che ha permesso di determinare la distribuzione degli isotopi del litio strato per strato lungo l’intera profondità degli elettrodi. Le ricerche sono state condotte in collaborazione con Nu Instruments Ltd. nel Regno Unito e con l’Istituto Leibniz per la ricerca sui solidi e sui materiali di Dresda (IFW Dresden).
«La distribuzione degli isotopi del litio fornisce quindi informazioni dirette sui processi di invecchiamento nelle batterie agli ioni di litio. Gli isotopi fungono da marcatori naturali. La loro distribuzione ci mostra come il litio si muova durante il funzionamento della batteria e in quali punti si verifichino i cambiamenti», afferma Beatrice Battistella. I ricercatori hanno inoltre potuto dimostrare che queste tracce sono strettamente correlate alla perdita di capacità delle batterie.
Per Beatrice Battistella e Carlos Abad, l’importanza dei risultati risiede soprattutto nelle loro possibilità di applicazione per misurazioni precise: invece di riconoscere l’invecchiamento solo dalla perdita di capacità, in futuro sarà possibile monitorarlo molto prima grazie alle tracce lasciate dagli isotopi di litio nella cella della batteria. Ciò consente una comprensione più precisa dei meccanismi di invecchiamento ed è, in ultima analisi, fondamentale per migliorare le batterie in modo mirato e prevederne con maggiore precisione la durata.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Beatrice Battistella * ; Adam Revill; Cornel Venzago; Volker Hoffmann; Leonardo Agudo Jácome; Dominik Al-Sabbagh; Sebastian Recknagel; Carlos Abad *; Depth-Resolved Lithium Isotope Fractionation as a Diagnostic of Interphase Evolution and Degradation in Lithium-Ion Batteries; ACS Energy Lett. (2026) 11 (3): 2851–2857.
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