Le particelle di titanato di litio lantanio consentono densità di potenza elevate anche in dimensioni micrometriche – pubblicazione su Nature Communications
Pubblicato originariamente sul Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
I ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e della Jilin University di Changchun/Cina hanno studiato un materiale anodico molto promettente per le future batterie ad alte prestazioni:il titanato di litio lantanio con una struttura cristallina di perovskite (LLTO). Come riportato dal team sulla rivista Nature Communications, LLTO può migliorare la densità di energia, la densità di potenza, la velocità di carica, la sicurezza e la durata del ciclo delle batterie senza richiedere una riduzione della dimensione delle particelle da micro a nanoscala. (DOI:10.1038/s41467-020-17233-1)
La domanda di veicoli elettrici è in aumento, accompagnata da una crescente necessità di reti intelligenti che garantiscano un approvvigionamento energetico sostenibile. Queste e altre tecnologie mobili e fisse richiedono batterie adeguate. Immagazzinare quanta più energia possibile nel minor spazio possibile con il minor peso possibile:le batterie agli ioni di litio (LIB) soddisfano ancora al meglio questo requisito. La ricerca mira a migliorare la densità di energia, la densità di potenza, la sicurezza e la durata del ciclo di queste batterie. Il materiale dell'elettrodo è di fondamentale importanza in questo caso. Gli anodi delle batterie agli ioni di litio sono costituiti da un collettore di corrente e da un materiale attivo applicato che immagazzina energia sotto forma di legami chimici. Nella maggior parte dei casi, la grafite viene utilizzata come materiale attivo. Tuttavia, gli elettrodi negativi in grafite hanno una bassa velocità di carica. Inoltre, sono associati a problemi di sicurezza. Tra i materiali attivi alternativi è già stato commercializzato l'ossido di titanato di litio (LTO). Gli elettrodi negativi con LTO presentano una velocità di carica più elevata e sono considerati più sicuri di quelli in grafite. Lo svantaggio è che le batterie agli ioni di litio con ossido di titanato di litio tendono ad avere una densità di energia inferiore.
Da: perovskite di titanato di litio lantanio come anodo per batterie agli ioni di litio
una struttura cristallina schematica; b Affinamento Rietveld a base di polvere XRD; c Immagini HAADF ad ampia area di perovskiti LLTO lungo l'asse della zona [100]. Barra della scala:5 nm; d Immagine HAADF-STEM di LLTO. Barra della scala:2 nm; e immagine ABF-STEM; f Ingrandito di HAADF-STEM; g Ingrandito di ABF-STEM. Le palline verde, blu e rossa in e e g rappresentano rispettivamente gli atomi di La, Ti e O.
Il team attorno al professor Helmut Ehrenberg, capo dell'Institute for Applied Materials – Energy Storage Systems (IAM-ESS) di KIT, ha ora studiato un altro materiale anodico molto promettente:il titanato di litio lantanio con una struttura cristallina di perovskite (LLTO). Secondo lo studio, condotto in collaborazione con scienziati della Jilin University di Changchun (Cina) e altri istituti di ricerca in Cina e Singapore, gli anodi LLTO hanno un potenziale dell'elettrodo inferiore rispetto agli anodi LTO commercializzati, il che consente un voltaggio cellulare più elevato e una maggiore capacità.La tensione della cella e la capacità di accumulo determinano in definitiva la densità di energia di una batteria", spiega Ehrenberg. "In futuro, gli anodi LLTO potrebbero essere utilizzati per costruire celle ad alte prestazioni particolarmente sicure con un ciclo di vita lungo."
Lo studio contribuisce al lavoro della piattaforma di ricerca per lo stoccaggio elettrochimico, CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm &Karlsruhe), una delle più grandi piattaforme di ricerca sulle batterie al mondo, che comprende anche il cluster di eccellenza POLiS.
Oltre alla densità di energia, alla densità di potenza, alla sicurezza e alla durata del ciclo, la velocità di carica è un altro fattore determinante per l'idoneità di una batteria per applicazioni impegnative. In linea di principio, la corrente di scarica massima e il tempo di carica minimo dipendono dal trasporto di ioni ed elettroni sia all'interno del corpo solido che alle interfacce tra l'elettrodo e i materiali elettrolitici. Per migliorare la velocità di carica, è pratica comune ridurre la dimensione delle particelle del materiale dell'elettrodo da micro a nanoscala. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Communications dai ricercatori KIT e dai loro partner di cooperazione, mostra che anche le particelle di pochi micrometri negli LLTO con una struttura di perovskite presentano una densità di potenza più elevata e una velocità di carica migliore rispetto alle nanoparticelle LTO. Il team di ricerca attribuisce questo alla cosiddetta pseudocapacità di LLTO:non solo i singoli elettroni sono attaccati a questo materiale anodico, ma anche ioni carichi, che sono legati da forze deboli e possono trasferire reversibilmente cariche all'anodo. "Grazie alle particelle più grandi, LLTO consente sostanzialmente processi di produzione degli elettrodi più semplici ed economici", spiega Ehrenberg.
Pubblicazione originale (Open Access):
Lu Zhang, Xiaohua Zhang, Guiying Tian, Qinghua Zhang, Michael Knapp, Helmut Ehrenberg, Gang Chen, Zexiang Shen, Guochun Yang, Lin Gu e Fei Du:perovskite al litio lantanio titanato come anodo per batterie agli ioni di litio. Comunicazioni sulla natura, 2020. DOI:10.1038/s41467-020-17233-1
Immagine in primo piano:rappresentazione schematica della struttura cristallina di perovskite del titanato di litio lantanio. (Illustrazione:Fei Du/Jilin University)
Altro materiale:
Pubblicazione su Nature Communications:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1
Per gentile concessione della stampa di KIT Energy Center
