Nuovo Consorzio per rendere più sostenibili le batterie per i veicoli elettrici

Punti chiave

• Un nuovo materiale per batterie chiamato salgemma disordinato (DRX) potrebbe aprire la strada alla sostituzione dei veicoli a benzina con veicoli elettrici a un ritmo più rapido.
• I catodi DRX potrebbero fornire alle batterie agli ioni di litio una densità di energia maggiore rispetto ai catodi convenzionali in nichel e cobalto e rendere le batterie per i veicoli elettrici più sostenibili.
• I nuovi materiali per batterie richiedono in genere decenni per essere commercializzati, ma i ricercatori sperano di dimostrare catodi DRX pronti per il commercio in pochi anni.
• Un consorzio dei migliori scienziati nazionali nel campo delle batterie, guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), accelererà la commercializzazione di una nuova famiglia di materiali catodici per batterie chiamata DRX o “salgemma disordinato”.

I catodi DRX potrebbero fornire batterie con una densità di energia maggiore rispetto ai catodi convenzionali delle batterie agli ioni di litio realizzati in nichel e cobalto, due metalli che scarseggiano in modo critico.

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha ritenuto prioritario trovare modi per ridurre o eliminare l’uso del cobalto nelle batterie. A sostegno di tale iniziativa, il Consorzio DRX si concentra sulla produzione di catodi DRX realizzati in manganese o titanio, che sono entrambi più abbondanti e più economici del nichel o del cobalto. Le batterie al litio realizzate con catodi DRX potrebbero salvaguardare l’industria automobilistica e quindi i consumatori da prezzi più alti spinti dai vincoli di fornitura.

“I catodi DRX possono essere realizzati con quasi tutti i metalli di transizione invece che con nichel e cobalto. Questa versatilità è fondamentale se vogliamo sostituire i veicoli a benzina con veicoli elettrici”, ha affermato il ricercatore principale Gerbrand Ceder. Lo scienziato senior della facoltà del Berkeley Lab e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley è alla guida del consorzio DRX insieme al collega scienziato Guoying Chen del Berkeley Lab.

Gli scienziati delle batterie del Berkeley Lab Gerbrand Ceder (a sinistra) e Guoying Chen sono co-guidatori del consorzio DRX. (Credito: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

Costituito lo scorso autunno, il DRX Consortium – che comprende un team di circa 50 scienziati del Berkeley Lab, dello SLAC National Accelerator Laboratory, del Pacific Northwest National Laboratory, dell’Argonne National Laboratory, dell’Oak Ridge National Laboratory e dell’Università della California a Santa Barbara – è stato premiato 20 milioni di dollari dall’Ufficio per le tecnologie dei veicoli dell’Ufficio per l’efficienza energetica e le energie rinnovabili del DOE. Il finanziamento – stanziato in incrementi annuali di 5 milioni di dollari fino al 2025 – consentirà al consorzio di sviluppare catodi per batterie DRX che potrebbero funzionare altrettanto bene se non meglio dei catodi NMC (nichel-manganese-cobalto) utilizzati nelle odierne batterie agli ioni di litio.

“DRX offre fonti minerali più sostenibili, più abbondanti e più economiche per i catodi delle batterie”, ha affermato Ceder. “La batteria agli ioni di litio è un’ottima tecnologia di accumulo dell’energia, ma per rimanere rilevante, dovrà crescere verso una maggiore produzione di più terawattora all’anno. Senza DRX, le batterie agli ioni di litio richiederebbero enormi quantità di nichel e cobalto se rimanessimo con le tecnologie attuali”.

“Il DRX potrebbe essere il materiale di riferimento per i catodi delle batterie”, ha aggiunto Chen. “Abbiamo già il vantaggio in termini di costi e risorse. Adesso non ci resta che migliorare la prestazione”.

Decarbonizzare i trasporti con DRX

DRX è una tecnologia ancora molto giovane: Ceder e il suo team hanno sviluppato DRX poco meno di 10 anni fa, nel 2014, come risposta alla rapida crescita del settore delle batterie agli ioni di litio. Le nuove tecnologie delle batterie richiedono in genere dai 20 ai 30 anni per maturare. Ma DRX è su una strada insolitamente veloce verso la commercializzazione.

Ceder e Chen hanno dimostrato il potenziale del DRX durante un programma quadriennale chiamato “Deep Dive”, finanziato anche dal DOE Vehicle Technologies Office. Il programma si è concluso nel 2022 e subito dopo si è formato il consorzio con l’obiettivo di dimostrare catodi DRX pronti per il commercio in meno di 5 anni.

Questa urgenza arriva nel mezzo di una transizione verso l’energia pulita. Gli Stati Uniti mirano a produrre la metà di tutte le nuove auto vendute nel 2030 come veicoli a emissioni zero, compresi i veicoli elettrici a batteria, ibridi plug-in o elettrici a celle a combustibile. In California, tutte le nuove auto dovranno essere veicoli a emissioni zero a partire dal 2035.

Per raggiungere questo obiettivo ambizioso, Ceder e Chen hanno formato il DRX Consortium, arruolando i migliori scienziati delle batterie di tutto il paese e del sistema di laboratori nazionale per aiutarli.

I ricercatori del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Dipartimento dell’Energia aiuteranno il team a restringere la migliore combinazione di manganese e titanio attraverso la modellazione computerizzata. I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory e dell’Argonne National Laboratory lavoreranno sulla sintesi chimica e aumenteranno i materiali per l’industria. Nuovi elettroliti compatibili con DRX saranno sviluppati presso il Pacific Northwest National Laboratory. E i ricercatori della Molecular Foundry del Berkeley Lab, dello SLAC National Accelerator Laboratory e dell’UC Santa Barbara aiuteranno nella caratterizzazione dei materiali.

“I catodi DRX possono essere realizzati con quasi tutti i metalli di transizione invece che con nichel e cobalto. Questa versatilità è fondamentale se vogliamo sostituire i veicoli a benzina con veicoli elettrici”. – Gerbrand Ceder, scienziato senior della facoltà del Berkeley Lab, divisione di scienze dei materiali

Pioniere nella scoperta computazionale dei materiali, Ceder e il suo team hanno scoperto DRX attraverso esperimenti su modelli computerizzati, molti dei quali sono stati eseguiti al NERSC.

Vince Battaglia e il suo team al Berkeley Lab metteranno alla prova le “ricette” del catodo DRX di Ceder fabbricando dozzine di batterie a bottone DRX con varie formulazioni di titanio o manganese. L’idea è quella di migliorare la conduttività elettronica del materiale, che è fondamentale per garantire che una batteria agli ioni di litio DRX non solo abbia un’elevata densità di energia ma anche un ciclo di vita elevato (il numero di volte in cui una batteria può caricarsi e scaricarsi prima che inizi a rompersi). giù).

“Nel mio laboratorio possiamo testare centinaia di celle a bottone agli ioni di litio alla volta. Cerchiamo di realizzare batterie nei migliori ambienti possibili in modo da poter realmente comprendere le prestazioni del materiale stesso. È stato ampliato per imitare i processi di fabbricazione che funzionerebbero effettivamente sul campo”, ha affermato Battaglia.

Quest’ultimo capitolo nello sviluppo di DRX arriva in un momento cruciale in cui le nazioni di tutto il mondo cercano soluzioni attuabili per evitare il peggioramento del riscaldamento globale.

Il settore dei trasporti – uno dei maggiori responsabili delle emissioni di gas serra al mondo – costituisce la metà delle emissioni di gas serra della California, un terzo delle emissioni degli Stati Uniti e un quinto delle emissioni globali. In California, le emissioni di scarico dei veicoli a benzina sono la principale fonte di emissioni di gas serra.

Gli scienziati del clima affermano che la sostituzione dei veicoli a benzina con veicoli elettrici potrebbe essere uno dei modi più efficaci per decarbonizzare rapidamente il settore dei trasporti.

Secondo un recente rapporto del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici delle Nazioni Unite, il mondo vedrà presto un riscaldamento di 1,5 gradi Celsius (2,7 gradi Fahrenheit) rispetto ai livelli preindustriali, a meno che le emissioni di gas serra non vengano dimezzate entro il 2030.

Ceder afferma che DRX potrebbe svolgere un ruolo chiave nella decarbonizzazione dei trasporti. “DRX è una tecnologia molto promettente che potrebbe fornire uno stoccaggio energetico affidabile ma economico e abbondante. Ma questo deve accadere presto: non tra 30 anni, ma adesso. Non abbiamo tempo di aspettare e il Consorzio DRX ci aiuterà ad arrivarci”, ha affermato.

La Fonderia Molecolare e il NERSC sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science presso il Berkeley Lab.

Per gentile concessione del Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley. Di Teresa Duque

Fondato nel 1931 con la convinzione che le più grandi sfide scientifiche siano affrontate meglio da un team, il Lawrence Berkeley National Laboratory e i suoi scienziati sono stati insigniti di 16 premi Nobel. Oggi, i ricercatori del Berkeley Lab sviluppano soluzioni energetiche e ambientali sostenibili, creano nuovi materiali utili, avanzano le frontiere dell’informatica e indagano i misteri della vita, della materia e dell’universo. Scienziati di tutto il mondo si affidano alle strutture del laboratorio per le proprie scoperte scientifiche. Berkeley Lab è un laboratorio nazionale multiprogramma, gestito dall’Università della California per l’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

L’Office of Science del DOE è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per ulteriori informazioni, visitare Energy.gov/science.