Le grandi innovazioni nel campo delle batterie presentano una tecnologia promettente

Un nuovo metodo di sintesi idrotermale crea un materiale catodico privo di cobalto con particelle più uniformi, rotonde e fitte (a destra) rispetto a quelle comuni nei catodi odierni (a sinistra), mantenendo una maggiore stabilità durante tutto il ciclo di ricarica della batteria. Illustrazione gentilmente concessa dall'Oak Ridge National Laboratory

Questo motore ad alta velocità azionato magneticamente riduce significativamente l'uso di materiali delle terre rare come il neodimio. Foto per gentile concessione dell'Università del Nuovo Galles del Sud

Questa immagine mostra la microstruttura e la mappatura degli elementi (silicio, ossigeno e zolfo) di uno strato intermedio poroso contenente zolfo dopo 500 cicli di carica-scarica in una cella di batteria al litio-zolfo. Illustrazione gentilmente concessa dall'Argonne National Laboratory

Gli ingegneri dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno sviluppato un nuovo processo per produrre catodi migliori e più economici da utilizzare nelle batterie agli ioni di litio. Consente di realizzare batterie più convenienti da un processo più veloce e meno dispendioso che utilizza materiali meno tossici.

La lavorazione tradizionale presenta numerose sfide. Un grosso ostacolo è la dipendenza dal cobalto, un metallo raro estratto e raffinato all’estero.

L'equilibrio degli altri metalli comuni nei catodi può anche rendere il processo di produzione più lungo e pericoloso. Ad esempio, l’elevata concentrazione di nichel ha portato all’uso diffuso di un metodo di miscelazione chimica per la produzione di catodi che richiede grandi quantità di ammoniaca per le reazioni corrosive. L’uso di questa sostanza chimica tossica aumenta i costi, aumenta le preoccupazioni per la salute e l’ambiente e spreca grandi quantità di acqua per ridurre l’acidità.

Invece di mescolare continuamente i materiali catodici con sostanze chimiche in un reattore, il nuovo metodo ORNL utilizza un approccio di sintesi idrotermale. Cristallizza il catodo utilizzando metalli disciolti in etanolo. L'etanolo è più sicuro da conservare e maneggiare rispetto all'ammoniaca e successivamente può essere distillato e riutilizzato.

"Questo nuovo processo offre il vantaggio chiave di spostare l'industria dei catodi verso una produzione più pulita e più competitiva in termini di costi, imponendo meno oneri al nostro ambiente", afferma Ilias Belharouak, Ph.D., ricercatore principale del progetto ORNL.

Anche il metodo di sintesi idrotermale è molto più veloce. Il tempo necessario per produrre particelle e prepararsi per il successivo lotto di catodi scende da pochi giorni a 12 ore.

"Inoltre, il materiale prodotto ha particelle più uniformi, rotonde e fitte, ideali per un catodo", spiega Rachid Essehli, ricercatore capo dell'ORNL. "Poiché le sue proprietà sono simili a quelle degli odierni catodi a base di cobalto, il nuovo materiale può essere perfettamente integrato nei processi di produzione delle batterie esistenti. Questo materiale catodico può fornire più energia e ridurre il costo delle batterie delle auto elettriche."

Un nuovo metodo di sintesi idrotermale crea un materiale catodico privo di cobalto con particelle più uniformi, rotonde e fitte (a destra) rispetto a quelle comuni nei catodi odierni (a sinistra), mantenendo una maggiore stabilità durante tutto il ciclo di ricarica della batteria. Illustrazione gentilmente concessa dall'Oak Ridge National Laboratory

Gli ingegneri dell'Università del Nuovo Galles del Sud (UNSW Sydney) hanno sviluppato un motore azionato magneticamente che riduce significativamente l'uso di materiali delle terre rare come il neodimio. Il dispositivo ad alta velocità ha il potenziale per aumentare l’autonomia dei veicoli elettrici.

Il design del prototipo del motore sincrono a magneti permanenti interni (IPMSM), ispirato alla forma del ponte ferroviario più lungo della Corea del Sud, ha raggiunto velocità di 100.000 giri al minuto. La potenza e la velocità massime raggiunte dal motore hanno superato il record di alta velocità esistente degli IPMSM laminati, rendendolo l'IPMSM più veloce al mondo mai costruito con materiali di laminazione commercializzati.

Il motore è in grado di produrre una densità di potenza molto elevata, il che è vantaggioso per i veicoli elettrici poiché riduce il peso complessivo e aumenta l’autonomia per qualsiasi carica.

Un IPMSM ha magneti incorporati nei suoi rotori per creare una coppia elevata per una gamma di velocità estesa. Tuttavia, i progetti esistenti soffrono di una bassa resistenza meccanica a causa dei sottili ponti di ferro nei rotori, che ne limitano la velocità massima.