Batterie al litio, un nuovo additivo aumenta la potenza delle celle

Le batterie agli ioni di litio devono affrontare un problema preciso quando si cerca di aumentare l’energia disponibile senza far crescere troppo peso e dimensioni: gli elettrodi più spessi rendono più difficile il movimento degli ioni all’interno del materiale.

Una ricerca pubblicata sulla rivista Exploration propone un approccio basato sul nitruro di carbonio grafitico, o g-C3N4, inserito in catodi realizzati con un processo a secco. Il materiale interviene sulla distribuzione dell’elettrolita e sul trasporto degli ioni Li+, affrontando uno dei limiti associati agli elettrodi ad alta densità. I risultati ottenuti in laboratorio mostrano prestazioni superiori durante le scariche rapide, anche se il passaggio a celle commerciali richiederà ulteriori verifiche.

Come il g-C3N4 facilita il movimento degli ioni

Il gruppo coordinato da Hye Ji Eun e San Moon ha utilizzato g-C3N4 nanostrutturato come additivo funzionale per un catodo spesso prodotto senza solventi. Il problema nasce dall’aumento del carico di materiale attivo: una struttura più compatta può ostacolare la diffusione degli ioni e limitare la quantità di materiale realmente utilizzabile durante una scarica intensa. La ricerca affronta quindi contemporaneamente la composizione dell’elettrodo e la sua struttura interna.

Secondo gli autori, il materiale migliora la bagnabilità del catodo e favorisce il trasferimento di Li+ attraverso interazioni temporanee tra litio e azoto. Questo meccanismo riduce la barriera energetica associata alla desolvatazione, cioè la separazione dello ione dalle molecole che lo circondano nell’elettrolita. Per analizzare la struttura interna, i ricercatori hanno impiegato la nanotomografia a raggi X tridimensionale e modelli della rete di pori, collegando la geometria dell’elettrodo al comportamento del trasporto ionico.

Il campione principale aveva un carico di materiale attivo di circa 21,5 mg/cm2 e uno spessore di circa 68 micrometri. Alla scarica a 3C, la capacità è risultata superiore del 165,9% rispetto al campione di riferimento, mentre la densità di potenza è arrivata a 2,85 volte quella del confronto. Il risultato riguarda la capacità sfruttabile sotto corrente elevata e non rappresenta un aumento equivalente della capacità nominale di una batteria completa.

Il problema della scalabilità industriale

La ricerca ha prodotto risultati anche con una struttura a due strati a composizione graduata, arrivata a circa 42,2 mg/cm2 di materiale attivo e 113 micrometri di spessore. In questa configurazione, la capacità è aumentata del 62,5% a 1C. Nei test di durata, il campione a singolo strato ha mantenuto l’81,3% della capacità dopo 600 cicli. I dati indicano quindi che l’ottimizzazione della microstruttura può accompagnare l’aumento della quantità di materiale attivo senza provocare un rapido decadimento nelle condizioni sperimentali considerate.

Il trasferimento verso la produzione industriale resta però una sfida distinta. Un elettrodo di laboratorio deve funzionare insieme a collettori di corrente, separatore, elettrolita, anodo e sistemi di gestione termica, mantenendo caratteristiche uniformi su superfici molto più ampie. Anche la fabbricazione a secco richiede un controllo accurato della porosità e della densità. Saranno quindi fondamentali la riproducibilità del processo, il costo dell’additivo e la capacità di conservare le prestazioni in celle complete.

La prospettiva più interessante riguarda il metodo di progettazione: intervenire contemporaneamente sulla chimica delle interfacce e sulla geometria dei pori può offrire una strada diversa dalla semplice ricerca di nuovi materiali per gli elettrodi. Se il comportamento osservato nei campioni sperimentali sarà confermato su celle di dimensioni industriali, questa tecnica potrebbe contribuire a utilizzare una quota maggiore del materiale attivo senza sacrificare la risposta alle richieste di potenza.