Le batterie senza cobalto potrebbero alimentare le auto del futuro.

20 gennaio 2024

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di Anne Trafton, Massachusetts Institute of Technology

Molte auto elettriche sono alimentate da batterie che contengono cobalto, un metallo che comporta costi finanziari, ambientali e sociali elevati.

Ora, i ricercatori del MIT hanno progettato un materiale per batterie che potrebbe offrire un modo più sostenibile per alimentare le auto elettriche. La nuova batteria al litio include un catodo basato su materiali organici, invece di cobalto o nichel (un altro metallo spesso usato nelle batterie al litio).

In uno nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che questo materiale, che potrebbe essere prodotto a un costo molto inferiore rispetto alle batterie che contengono cobalto, può condurre l'elettricità a velocità simili alle batterie al cobalto. La nuova batteria ha anche una capacità di immagazzinamento comparabile e può essere caricata più velocemente rispetto alle batterie al cobalto, riferiscono i ricercatori.

"Credo che questo materiale potrebbe avere un grande impatto perché funziona davvero bene", afferma Mircea Dincă, professore di energia Keck presso il MIT. "È già competitivo con le tecnologie attuali e può risparmiare molte spese, dolori e problemi ambientali legati all'estrazione dei metalli attualmente utilizzati nelle batterie".

Dincă è l'autore principale dello studio, pubblicato oggi (18 gennaio) sulla rivista ACS Central Science. Tianyang Chen dottorando '23 e Harish Banda, ex dottorando del MIT, sono gli autori principali del paper. Altri autori includono Jiande Wang, un dottorando del MIT; Julius Oppenheim, uno studente laureando del MIT; e Alessandro Franceschi, ricercatore presso l'Università di Bologna.

La maggior parte delle auto elettriche è alimentata da batterie al litio, un tipo di batteria che si ricarica quando gli ioni di litio fluiscono da un elettrodo carico positivamente, chiamato catodo, a un elettrodo carico negativamente, chiamato anodo. Nella maggior parte delle batterie al litio, il catodo contiene cobalto, un metallo che offre alta stabilità e densità energetica.

Tuttavia, il cobalto ha notevoli svantaggi. Come metallo raro, il suo prezzo può fluttuare notevolmente e gran parte dei giacimenti di cobalto nel mondo si trovano in paesi politicamente instabili. L'estrazione del cobalto crea condizioni di lavoro pericolose e genera rifiuti tossici che contaminano terra, aria e acqua circostanti le miniere.

"Le batterie al cobalto possono immagazzinare molta energia e hanno tutte le caratteristiche che le persone cercano in termini di prestazioni, ma hanno il problema di non essere ampiamente disponibili e il loro costo fluttua ampiamente in base al prezzo delle materie prime. E, man mano che si passa a una percentuale molto più alta di veicoli elettrificati sul mercato dei consumatori, sicuramente diventerà più costoso", afferma Dincă.

A causa dei numerosi svantaggi del cobalto, molte ricerche sono state condotte per sviluppare materiali alternativi per batterie. Un materiale di questo tipo è il litio-ferro-fosfato (LFP), che alcuni produttori di auto stanno iniziando a utilizzare per i veicoli elettrici. Sebbene ancora praticamente utile, il LFP ha solo circa la metà della densità energetica delle batterie al cobalto e nichel.

Un'altra opzione interessante sono i materiali organici, ma finora la maggior parte di questi materiali non è stata in grado di eguagliare la conducibilità, la capacità di immagazzinamento e la durata delle batterie contenenti cobalto. A causa della loro bassa conducibilità, tali materiali devono di solito essere mescolati con leganti come polimeri, che li aiutano a mantenere una rete conduttiva. Questi leganti, che compongono almeno il 50 percento del materiale complessivo, riducono la capacità di immagazzinamento della batteria.

Circa sei anni fa, il laboratorio di Dincà ha iniziato a lavorare a un progetto, finanziato dalla Lamborghini, per sviluppare una batteria organica che potesse essere usata per alimentare le auto elettriche. Mentre lavoravano su materiali porosi che erano in parte organici e in parte inorganici, Dincà e i suoi studenti si sono resi conto che un materiale completamente organico che avevano realizzato sembrava essere un forte conduttore.

Questo materiale è costituito da numerosi strati di TAQ (bis-tetraaminobenzochinone), una molecola organica contenente tre anelli esagonali fusi. Questi strati possono estendersi in ogni direzione, formando una struttura simile al grafite. All'interno delle molecole ci sono gruppi chimici chiamati chinoni, che sono i serbatoi degli elettroni, e ammine, che aiutano il materiale a formare forti legami idrogeno.

Quei legami idrogeno rendono il materiale altamente stabile e anche molto insolubile. Questa insolubilità è importante perché impedisce al materiale di sciogliersi nell'elettrolita della batteria, come fanno alcuni materiali organici per batterie, prolungando così la sua durata.

'One of the main methods of degradation for organic materials is that they simply dissolve into the battery electrolyte and cross over to the other side of the battery, essentially creating a short circuit. If you make the material completely insoluble, that process doesn't happen, so we can go to over 2,000 charge cycles with minimal degradation,' Dincă says.

Tests of this material showed that its conductivity and storage capacity were comparable to that of traditional cobalt-containing batteries. Also, batteries with a TAQ cathode can be charged and discharged faster than existing batteries, which could speed up the charging rate for electric vehicles.

To stabilize the organic material and increase its ability to adhere to the battery's current collector, which is made of copper or aluminum, the researchers added filler materials such as cellulose and rubber. These fillers make up less than one-tenth of the overall cathode composite, so they don't significantly reduce the battery's storage capacity.

These fillers also extend the lifetime of the battery cathode by preventing it from cracking when lithium ions flow into the cathode as the battery charges.

The primary materials needed to manufacture this type of cathode are a quinone precursor and an amine precursor, which are already commercially available and produced in large quantities as commodity chemicals. The researchers estimate that the material cost of assembling these organic batteries could be about one-third to one-half the cost of cobalt batteries.

Lamborghini has licensed the patent on the technology. Dincă's lab plans to continue developing alternative battery materials and is exploring possible replacement of lithium with sodium or magnesium, which are cheaper and more abundant than lithium.

Journal information: ACS Central Science

Provided by Massachusetts Institute of Technology

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.