Ripensare i presupposti della progettazione delle batterie

Nuova comprensione della rottura del catodo nelle batterie agli ioni di litio

Il miglioramento della densità di potenza delle batterie è un fattore chiave per l'adozione dei veicoli elettrici rispetto ai motori a combustione interna. La sicurezza dei consumatori è un'altra preoccupazione importante, sebbene la percezione pubblica del rischio di incendio sia spesso superiore alla realtà.

Anche la durata è fondamentale. Gli acquirenti pretendono batterie che durino più di un decennio, idealmente più a lungo del veicolo stesso, per preservare il valore residuo ed evitare costose sostituzioni.

"L'elettrificazione della società ha bisogno del contributo di tutti. Se le persone non si fidano della sicurezza e della durata delle batterie, non sceglieranno di utilizzarle."

Khalil Amine – Argonne Distinguished Fellow

Per soddisfare questi criteri, l'industria sta passando dai materiali policristallini ricchi di Ni (PC-NMC) agli ossidi stratificati monocristallini ricchi di Ni (SC-NMC).

Questa transizione mira a mitigare le deformazioni nanoscopiche che causano la formazione di cricche catodiche nel tempo. Finora, la progettazione di catodi monocristallini (monocristallini) seguiva i presupposti precedentemente utilizzati per i catodi policristallini.

Tuttavia, i ricercatori dell'Argonne National Laboratory, del Brookhaven National Laboratory e dell'Università di Chicago hanno scoperto che questi due tipi di catodi si rompono in modi fondamentalmente diversi, aprendo la strada a nuove strategie di ottimizzazione.

Hanno pubblicato i loro risultati su Nature Nanotechnology¹, intitolato "Evoluzione della deformazione nanoscopica negli elettrodi positivi delle batterie monocristalline".

Perché la rottura del catodo è un meccanismo di guasto primario

Cracking policristallino

In un catodo policristallino, il materiale è composto da più cristalli nanoscopici. Durante la carica e la scarica della batteria, queste particelle si espandono e si contraggono.

Questo movimento ripetuto può allargare i bordi dei grani che separano i policristalli, creando delle crepe. Se una crepa diventa troppo ampia, l'elettrolita può infiltrarsi nella particella, in modo simile a come il congelamento e lo scongelamento dell'acqua creano buche nelle strade cittadine.

Fonte: Nature

Quando questa dilatazione supera i limiti elastici, il catodo si crepa. Nel peggiore dei casi, ciò può causare una fuga termica e un incendio. Più comunemente, riduce la capacità di carica della batteria nel tempo, con conseguente degrado delle prestazioni.

"In genere, subisce un'espansione o una contrazione del volume pari a circa il 5-10%. Quando un'espansione o una contrazione superano i limiti elastici, si formano delle crepe nelle particelle."

Jing Wang – Ricercatore post-dottorato presso l'Argonne National Laboratory

Poiché i catodi monocristallini non presentano confini tra i grani cristallini, non sono soggetti a questa specifica modalità di guasto. Tuttavia, il degrado della batteria persiste.

Caratteristiche uniche dei catodi monocristallini

Per indagare su questo fenomeno, i ricercatori hanno utilizzato tecniche di raggi X di sincrotrone multiscala e un microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione.

Fonte: Nature

In un catodo policristallino, il cobalto contribuisce a moderare il disordine Li/Ni (gli ioni di nichel migrano negli strati di litio), ma è anche un noto fattore che contribuisce alla formazione di cricche. Tradizionalmente, il manganese viene aggiunto per bilanciare questo problema.

I ricercatori dell'Argonne hanno scoperto che nei catodi monocristallini accade il contrario: il manganese è più dannoso dal punto di vista meccanico, mentre il cobalto contribuisce effettivamente a prolungare la durata della batteria.

"Quando si cerca di passare ai catodi monocristallini, si seguono principi di progettazione simili a quelli dei catodi policristallini.

Il nostro lavoro ha evidenziato che il principale meccanismo di degradazione delle particelle monocristalline è diverso da quello delle particelle policristalline, il che determina requisiti di composizione diversi."

Jing Wang – Ricercatore post-dottorato presso l'Argonne National Laboratory

Lo studio rivela che l'eterogeneità della reazione causa tensione entro singoli cristalli, piuttosto che tra di essi. Le diverse regioni del cristallo reagiscono a velocità diverse, creando tensioni interne che portano alla formazione di crepe.

Fonte: Nature

Come questa scoperta potrebbe migliorare le batterie di prossima generazione

Il cobalto è più costoso del nichel o del manganese e solleva problemi etici in merito alla sua produzione, spingendo l'industria a ridurne l'uso.

"Identificando questo meccanismo precedentemente sottovalutato, questo lavoro stabilisce un collegamento diretto tra la composizione del materiale e i percorsi di degradazione, fornendo una visione più approfondita delle origini del decadimento delle prestazioni in questi materiali".

Tongchao Liu – Chimico presso l'Argonne National Laboratory

Il passo successivo è applicare queste scoperte per identificare materiali privi di cobalto che riducano i rischi di cricche mantenendo al contempo l'efficienza dei costi.

Conclusione

Migliorare il catodo è un passaggio fondamentale per migliorare le prestazioni delle batterie al litio. Questo è particolarmente importante per i nuovi progetti senza anodo, in cui l'efficienza del catodo è fondamentale.

Questa innovazione fornisce un nuovo quadro teorico per l'ottimizzazione della progettazione di catodi monocristallini. Idealmente, porterà a un'alternativa priva di cobalto che ridurrà significativamente il rischio di cricche e i costi.

Tali progressi sono particolarmente preziosi per gli sviluppatori di batterie catodo-agnostic come QuantumScape. Poiché la loro piattaforma senza anodo supporta diverse tipologie di catodi, possono integrare rapidamente questi resistenti design monocristallini per prolungare la durata della batteria senza dover riprogettare la loro tecnologia a stato solido di base.

Azienda di batterie

QuantumScape

Un'ampia fetta di consumatori nutre ancora dubbi sull'autonomia e sulla velocità di ricarica della maggior parte dei modelli di veicoli elettrici. Anche il rischio di incendio delle tradizionali batterie agli ioni di litio è motivo di preoccupazione.

Le batterie allo stato solido rappresentano una soluzione ideale poiché sostituiscono l'elettrolita liquido con uno solido, eliminando così i rischi di incendio e aumentando notevolmente la densità energetica.

QuantumScape è particolarmente innovativo per il suo design senza anodi. Ciò consente di integrare diversi materiali catodici, consentendo all'azienda di beneficiare di futuri miglioramenti nella produzione e nella progettazione dei catodi.

Fonte: QuantumScape

Dopo anni di lenti progressi nei laboratori, le batterie allo stato solido stanno finalmente passando dai promettenti prototipi alla produzione di massa e all'integrazione nei veicoli commerciali.

Un traguardo importante è stato raggiunto nel 2025, quando QuantumScape ha debuttato con la sua batteria nella motocicletta elettrica Ducati V21L, frutto della partnership con Volkswagen.

Fonte: QuantumScape

Il design di QuantumScape è significativamente superiore alle batterie agli ioni di litio in quasi tutti i parametri:

• Si carica in soli 15 minuti (10-80% a 45 ºC).
• Il separatore che sostituisce l'elettrolita liquido è non infiammabile e non combustibile.
• La densità energetica delle celle della batteria è di 844 Wh/L e 301 Wh/kg.
• Per riferimento, Le celle 4680 di Tesla sono pari a 643 Wh/L e 241 Wh/kg, mentre le celle blade di BYD sono pari a ~375 Wh/L e 160 Wh/kg.

PowerCo, la sussidiaria di Volkswagen specializzata in batterie, erogherà a QuantumScape fino a 131 milioni di dollari in nuovi pagamenti nei prossimi due anni al raggiungimento di determinati traguardi, dimostrando l'impegno del gruppo nei confronti della tecnologia allo stato solido.

(Puoi Per saperne di più su QuantumScape, leggi il nostro report dedicato agli investimenti.)

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni QuantumScape (QS)

Studio referenziato

^{1Wang, J., Liu, T., Huang, W. et al. Evoluzione della deformazione nanoscopica negli elettrodi positivi delle batterie monocristalline. Naz. Nanotecnologie. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02079-9}