Un team del MIT di Boston sfrutta la combustione per produrre materiali fondamentali nella fabbricazione di batterie agli ioni di litio.
Sili Deng, professore assistente presso il Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT, guida un gruppo che sviluppa modelli teorici per aiutare a comprendere e controllare i sistemi di combustione in modo da renderli più efficienti e di riuscire controllare la formazione di emissioni, comprese le particelle di fuliggine.
Il suo team sta esplorando l’uso della combustione per produrre materiali per la transizione energetica e in particolare materiali fondamentali nella produzione di batterie agli ioni di litio.
La domanda di batterie agli ioni di litio è destinata a salire alle stelle
La domanda di batterie agli ioni di litio è destinata a salire alle stelle nei prossimi decenni. Saranno necessarie per alimentare la crescente flotta di auto elettriche e per immagazzinare l’elettricità prodotta dai sistemi solari ed eolici. Alcuni esperti prevedono che la domanda globale di batterie agli ioni di litio potrebbe aumentare di dieci volte o più nel prossimo decennio.
Alla luce di tali proiezioni, molti ricercatori stanno cercando modi per migliorare la tecnologia delle batterie agli ioni di litio. Deng e il suo gruppo non sono scienziati dei materiali, quindi non si concentrano sulla creazione di nuovi e migliori prodotti chimici per le batterie. Il loro obiettivo è trovare un modo per ridurre l’alto costo di produzione delle batterie. E gran parte del costo di realizzazione di una batteria agli ioni di litio può essere ricondotto alla produzione di materiali utilizzati per realizzare uno dei suoi due elettrodi: il catodo.
Il ruolo chiave del catodo delle batterie
I ricercatori del MIT hanno iniziato la loro ricerca di risparmi sui costi considerando i metodi ora utilizzati per produrre materiali catodici. Le materie prime sono in genere sali di diversi metalli, incluso il litio, che fornisce ioni, le particelle caricate elettricamente che si muovono quando la batteria viene caricata e scaricata.
Negli ultimi decenni, le aziende hanno prodotto quei materiali catodici utilizzando un processo a due stadi chiamato coprecipitazione. Nella prima fase i sali metallici, escluso il litio, vengono disciolti in acqua e miscelati accuratamente all’interno di un reattore chimico. Vengono aggiunti prodotti chimici per modificare l’acidità (il pH) della miscela e le particelle costituite dai sali combinati precipitano fuori dalla soluzione. Le particelle vengono quindi rimosse, essiccate, macinate e passate al setaccio.
La coprecipitazione produce i materiali necessari, ma il processo richiede molto tempo. Non è solo dispendioso in termini di tempo, ma anche in termini di energia.
Negli ultimi due anni, Deng e il suo gruppo hanno esplorato modi migliori per realizzare il materiale del catodo. “La combustione è molto efficace nell’ossidare e i materiali per le batterie agli ioni di litio sono generalmente miscele di ossidi metallici”, afferma Deng. I ricercatori hanno quindi pensato di utilizzare un processo basato sulla combustione chiamato sintesi di fiamma.
Un materiale catodico ad alte prestazioni
Deng e il suo team hanno quindi scelto un materiale target per il loro studio, concentrandosi su una miscela di ossidi metallici costituiti da nichel, cobalto, manganese e litio. Conosciuto come NCM811, questo materiale è ampiamente utilizzato e ha dimostrato di produrre catodi per batterie che offrono prestazioni elevate. I ricercatori hanno quindi considerato tre possibili approcci per migliorare il processo di coprecipitazione per la sintesi di NCM811: semplificare il sistema per ridurre i costi, accelerare il processo o ridurre l’energia richiesta.
L’impiego di FASP
Un processo ampiamente utilizzato nell’industria chimica e in altre industrie per fabbricare nanoparticelle è un tipo di sintesi a fiamma, chiamata pirolisi a spruzzo assistita da fiamma (FASP). Ed è proprio questa prirolisi che Deng ha impiegato per realizzare le polveri catodiche.
I ricercatori hanno sviluppato una configurazione FASP su scala di laboratorio composta da un nebulizzatore ultrasonico, una sezione di preriscaldamento, un bruciatore, un filtro e una pompa a vuoto che preleva le polveri che si formano. Usando quel sistema, hanno potuto controllare i dettagli del processo di riscaldamento: la sezione di preriscaldamento replica le condizioni quando il materiale entra per la prima volta nella camera di combustione e il bruciatore replica le condizioni mentre attraversa la fiamma. Questa configurazione ha permesso al team di esplorare le condizioni operative che avrebbero dato i migliori risultati. I loro esperimenti hanno mostrato notevoli benefici rispetto alla coprecipitazione.
Le particelle si sono formate in pochi secondi. Supponendo il tempo necessario per la ricottura e la deagglomerazione convenzionali, la nuova configurazione potrebbe sintetizzare il materiale catodico finito nella metà del tempo totale necessario per la coprecipitazione.
L’articolo completo è stato pubblicato in questo numero di Energy Futures, la rivista MIT Energy Initiative.
