È possibile migliorare le prestazioni delle batterie destinate ai veicoli elettrici attraverso l'osservazione degli elettroni? Nissan è convinta di si  ha cercato la risposta a questa domanda attraverso un progetto di ricerca avanzata condotto in collaborazione con alcune università del Giappone.

Risultato: Nissan Motor Company e l'affiliata Nissan Arc Ltd. hanno annunciato in data odierna di aver messo a punto il primo metodo di analisi al mondo per l'osservazione diretta dell'attività degli elettroni che avviene durante la fase di carica e scarica nel materiale del catodo contenuto nelle batterie agli ioni di litio. L'applicazione di questa tecnica di analisi alle future attività di ricerca e progettazione dei materiali per le batterie potrebbe consentire ai ricercatori Nissan di realizzare batterie a ulteriore elevata capacità e durata, in grado di aumentare l'autonomia di percorrenza degli EV a zero emissioni e di migliorarne la resistenza.

Nissan Arc Ltd., società interamente controllata da Nissan Motor Company, ha sviluppato il metodo di analisi nell'ambito di un progetto di R&S avviato insieme alle università di Tokyo, Kyoto e della Prefettura di Osaka. La nuova tecnica offre un quadro preciso di come gli elettroni vengono emessi da determinati elementi che costituiscono il materiale del catodo delle batterie agli ioni di litio nella fase di carica e scarica.

Immagazzinare la maggior quantità possibile di litio
Per sviluppare batterie agli ioni di vita a lunga durata e ad alta capacità, è necessario immagazzinare la maggior quantità possibile di litio nel materiale attivo dell'elettrodo, per generare il numero più alto possibile di elettroni. Per conseguire questo obiettivo, è essenziale effettuare una misurazione precisa dell'attività degli elettroni all'interno della batteria.I metodi di analisi fino ad oggi disponibili non permettevano ai ricercatori di osservare il movimento degli elettroni. Non era infatti possibile stabilire in che modo il materiale attivo dei vari elettrodi, come il manganese (Mn), il cobalto (Co), il nichel (Ni) e l'ossigeno (O), emettesse gli elettroni e quanti elettroni venissero effettivamente emessi.

Il metodo di analisi di nuova concezione coniuga la spettroscopia¹ di assorbimento dei raggi X,  che utilizza i limiti² di assorbimento L e il metodo di calcolo da principi primi³ del supercomputer giapponese Earth Simulator.La spettroscopia di assorbimento dei raggi X è già stata impiegata in passato per l'analisi delle batterie, ma utilizzando per lo più i limiti di assorbimento K, che consentono l'osservazione soltanto di una parte degli elettroni nell'atomo (quelli non coinvolti nella carica e scarica per via della vicinanza al nucleo) e non degli effettivi elettroni coinvolti nella reazione nella cella.

Applicando, invece, la spettroscopia di assorbimento dei raggi X che utilizza i limiti di assorbimento L, è possibile osservare proprio gli elettroni interessati dalla reazione nelle celle della batteria. E abbinando i risultati di tale osservazione ai calcoli da principi primi del supercomputer Earth Simulator è possibile analizzare con precisione la mobilità degli elettroni.

Per anni gli scienziati hanno cercato di scoprire l'origine degli elettroni durante la fase di carica e scarica, e questo nuovo metodo di analisi rende finalmente possibile tale scoperta. Il metodo permette agli scienziati di osservare con esattezza il fenomeno che avviene all'interno di una cella della batteria, in particolare il comportamento dei materiali attivi degli elettrodi, favorendo così lo studio di materiali più efficienti e a più lunga durata.

Nissan Arc ha adottato la nuova tecnica di analisi per studiare materiali ad alta capacità che si ritiene possano incrementare la densità energetica del 150%. Dall'analisi è emerso che, a uno stato potenziale elevato, gli elettroni originati dall'ossigeno risultavano essere attivi durante la carica, mentre gli elettroni derivanti dal manganese apparivano attivi durante la reazione di scarica.

Questi risultati rappresentano un significativo passo avanti per lo sviluppo commerciale di materiali per elettrodi a elevato contenuto di litio, da cui produrre batterie caratterizzate da capacità e durata superiori.

Note

*1 Spettroscopia di assorbimento dei raggi X: metodo di analisi dello stato elettronico e della struttura locale degli elementi basato sulla misurazione dell'aumento dell'energia di assorbimento (limite di assorbimento) dopo la radiazione di raggi X di varia intensità.

*2 Limite di assorbimento: il valore di assorbimento dei raggi X (lunghezza d'onda) che aumenta bruscamente quando viene modificata l'energia dei raggi (lunghezza d'onda). A seconda dell'orbita degli elettroni si ha un limite di assorbimento K e un limite di assorbimento L.

*3 Calcolo da principi primi: metodo di calcolo degli stati elettronici senza l'impiego di valori sperimentali.

*4 Earth Simulator: supercomputer di proprietà del Japan Marine Science and Technology Center (JAMSTEC), inizialmente sviluppato per la valutazione delle evoluzioni climatiche su scala globale.