Just a few more years and electric cars might bridge what is now the main competitive gap separating them from internal combustion vehicles: the length of time needed for charging them. The announcement was made by Antonio Bertei and Marco Lagnoni, respectively associate professor and researcher in Chemical Engineering at the Department of Civil and Industrial Engineering at the University of Pisa, who, together with colleagues from eight other prestigious international institutions, authored a study recently published in Nature Communications.
“Fast charge capability, driving range and safety of lithium-ion batteries are the main concerns that influence the broader market uptake of electric vehicles, but thanks to the results of our study, these limits might be overcome within the next few years,” explains Professor Antonio Bertei. “Our investigations allowed us to quantify the mechanisms that aggravate battery ageing during fast charging of lithium-ion batteries that use graphite electrodes.”
The graphite electrode during charging, as seen under the optical microscope. In the image, graphite particles are visible, while the various colors, ranging from golden to red, indicate different phases of graphite. The red arrows point to lithium plating, a degradation phenomenon whose dynamics were analyzed in the study.
Specifically, the research group – of which Bertei and Lagnoni are the only Italian partners – has shown that the fast-charging process, as it is conceived today, can cause metallic lithium deposition on the surface of the graphite anode (the negative electrode). This phenomenon, if not properly considered, can lead to irreversible loss of lithium, limiting energy performance and impairing battery safety. But, most importantly, the researchers confirmed that this ‘lithium plating’ phenomenon is partly reversible and they were able to precisely outline the dynamics of its reabsorption and how to integrate it into the battery’s overall operation. This result was obtained thanks to the contribution of the University of Pisa, where advanced physical-mathematical models were developed to support and complement cutting-edge experimental analyses.
Marco Lagnoni and Antonio Bertei
“The computational model we developed for this study allowed us to observe ‘lithium plating’ in graphite anodes and to show that it can be reabsorbed by the electrode, thus slowing down battery ageing,” adds Marco Lagnoni. “You just need to have rest periods at different states of charging. We even coined the motto ‘resting for being faster’ to describe the approach that will need to inform the future development of advanced fast-charging protocols designed for next-generation automotive batteries.”
The result achieved by the study published in Nature Communications under the title Multiscale dynamics of charging and plating in graphite electrodes coupling operando microscopy and phase-field modelling is set to mark the future of electric mobility. In addition to the University of Pisa, eight other prestigious international organisations were involved: University College London (UK), Queen Mary University (UK), Massachusetts Institute of Technology (USA), University of Oxford (UK), Harwell Science and Innovation Campus (UK), University of Birmingham (UK), National Renewable Energy Laboratory in Denver (USA) and Beijing University of Technology (CN).
Ancora pochi anni e le auto elettriche potrebbero colmare quello che oggi è il principale divario competitivo che le separa dai veicoli a combustione: la velocità di rifornimento. A dare l’annuncio sono Antonio Bertei e Marco Lagnoni, rispettivamente professore associato e ricercatore in Ingegneria Chimica al Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale all’Università di Pisa, autori, assieme ai colleghi di altre otto prestigiose realtà internazionali, di uno studio pubblicato in questi giorni su Nature Communications.
"La capacità di ricarica rapida, l'autonomia e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio sono oggi i fattori che maggiormente influenzano una più ampia diffusione sul mercato dei veicoli elettrici, ma grazie ai risultati ottenuti dal nostro studio questi limiti potrebbero essere superati entro i prossimi anni – spiega il professor Antonio Bertei – Le indagini compiute ci hanno permesso di quantificare in modo definitivo i meccanismi che aggravano l'invecchiamento durante la ricarica rapida delle batterie al litio che utilizzano elettrodi in grafite”.
L'elettrodo di grafite durante la carica visualizzato al microscopio ottico. Nell'immagine si notano le particelle di grafite, mentre i vari colori, dal dorato al rosso, indicano le diverse fasi della grafite. Le frecce rosse indicano la placcatura al litio, fenomeno degradativo la quale dinamica è stata analizzata nello studio.
Nello specifico, il gruppo di ricerca di cui Bertei e Lagnoni sono gli unici partner italiani, ha dimostrato che il processo di ricarica rapida, così come è concepito oggi, può causare una deposizione di litio metallico sulla superficie dell'anodo di grafite (l’elettrodo negativo). Questo fenomeno, se non opportunamente considerato, può portare alla perdita irreversibile di litio, limitando le prestazioni energetiche e compromettendo la sicurezza delle batterie. Ma la cosa più importante è che i ricercatori hanno confermato che tale fenomeno di ‘placcatura al litio’ è in parte reversibile, delineandone con precisione la dinamica del suo riassorbimento e come integrarla nel funzionamento complessivo della batteria. Un risultato, questo, ottenuto proprio grazie al contributo dell’Università di Pisa, che ha sviluppato modelli fisico-matematici avanzati a supporto ed integrazione di analisi sperimentali all’avanguardia.
Marco Lagnoni e Antonio Bertei
“Il modello computazionale che abbiamo messo a punto per questo studio ha permesso di osservare ‘in diretta’ il processo di ‘placcatura al litio’ della grafite e di dimostrare che questo può essere riassorbito dall’elettrodo, rallentando così l’invecchiamento delle batterie – aggiunge Marco Lagnoni – È sufficiente inserire delle pause a determinati livelli di ricarica. Tanto che, con i colleghi, abbiamo coniato il motto ‘aspettare per essere più veloci’, per descrivere l’impostazione che dovrà informare lo sviluppo dei protocolli avanzati di ricarica rapida del futuro concepiti per le batterie automobilistiche di prossima generazione”.
Un risultato, quello ottenuto dallo studio pubblicato su Nature Communications col titolo Multiscale dynamics of charging and plating in graphite electrodes coupling operando microscopy and phase-field modelling destinato a segnare il futuro della mobilità elettrica e che ha visto impegnati, oltre all’Università di Pisa, anche altre otto prestigiose realtà internazionali: University College London (UK), Queen Mary University (UK), Massachusetts Institute of Technology (USA), University of Oxford (UK), Harwell Science and Innovation Campus (UK), University of Birmingham (UK), National Renewable Energy Laboratory di Denver (USA) e Beijing University of Technology (CN).
Risolvere il problema della dipendenza da materiali critici come cobalto e nickel che oggi affligge la mobilità elettrica è possibile e la soluzione si chiama "Batteria Litio-Aria". A confermarlo è lo studio pubblicato in questi giorni su Nature Chemistry e realizzato da un gruppo di ricerca internazionale di cui fanno parte Marco Lagnoni e Antonio Bertei, rispettivamente ricercatore e professore associato in Ingegneria Chimica al Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale all’Università di Pisa.
"Le batterie litio-aria garantiscono un'alta densità di energia e in futuro potrebbero essere utilizzate nei veicoli elettrici rendendoli ancor più sostenibili dal punto di vista ambientale - spiegano Marco Lagnoni e Antonio Bertei - Oggi, però, non hanno ancora raggiunto prestazioni adeguate ad un loro utilizzo pratico, in particolare per quanto riguarda la fase di carica. Un ostacolo, questo, che adesso, grazie ai risultati ottenuti assieme ai colleghi delle Università di Oxford e Nottingham, potrà essere presto superato".
Il gruppo di ricerca di cui fanno parte Lagnoni e Bertei ha infatti scoperto perché gli attuali catalizzatori, chiamati mediatori redox e utilizzati per la ricarica delle batterie litio-aria, non riescono a garantire una velocità di carica elevata. In particolare, spiegano gli studiosi, la velocità massima di carica dipende dal potenziale elettrico del mediatore redox, ciò ne limita le prestazioni. D'altro canto, si è dimostrato che una forma di ossigeno molto reattiva, che si sviluppa durante la carica, non è responsabile del deterioramento dei materiali come si riteneva in precedenza.
Fondamentale il contribuito dato dall'Università di Pisa a questa scoperta. Marco Lagnoni e Antonio Bertei, infatti, hanno sviluppato dei modelli numerici avanzati e unici nel loro genere, che hanno permesso di prevedere le prestazioni energetiche degli elettrodi simulando il processo di carica con mediatori redox. Ciò ha evidenziato che esistono altri fenomeni, oltre alla cinetica di reazione, che possono rallentare ulteriormente la carica, i quali devono essere anch’essi affrontati per superare le attuali limitazioni ed ottimizzare la tecnologia.
“Ci abbiamo messo quasi tre anni per finalizzare il lavoro, per non parlare di tutte le attività di ricerca pregresse che ci hanno permesso di essere pronti per studiare questo tipo di batterie. La buona ricerca di base richiede risorse, ma soprattutto tempo, impegno e ottime basi teoriche - commenta il professor Antonio Bertei - Questo risultato dimostra come l’approccio dell’ingegneria chimica sia multidisciplinare, attuale e capace di contribuire alla soluzione delle sfide odierne, come quelle dell’accumulo di energia elettrica.”
“Il progresso della ricerca scientifica oggi si basa su una combinazione di sforzi sperimentali e strumenti di modellazione avanzati - spiega il dott. Marco Lagnoni - Nell'ambito delle scoperte scientifiche, la modellazione è, infatti, uno strumento indispensabile per accelerare il progresso e supportare l'interpretazione dei dati sperimentali. Lo sviluppo di modelli di alta qualità richiede, però, una rigorosa e qualificata base sperimentale oltre che teorica. Per questo, la coesione tra i gruppi di ricerca e il trasferimento di conoscenze sono elementi essenziali. Lavorando insieme, condividendo i rispettivi saperi, uniti da un forte spirito di determinazione, i ricercatori possono raggiungere risultati significativi e superare le sfide scientifiche più complesse".
Adesso, i risultati ottenuti da questo studio, pubblicato su Nature Chemistry con il titolo “Why charging Li–air batteries with current low-voltage mediators is slow and singlet oxygen does not explain degradation”, permetteranno di indirizzare la ricerca verso la creazione di nuove classi di mediatori redox e l'impiego di materiali diversi da quelli utilizzati finora. Una sfida difficile, certo, ma anche un'opportunità per esplorare nuove direzioni di ricerca verso una mobilità elettrica sempre più sostenibile.