Nissan mette a punto il primo metodo di analisi al mondo per l’osservazione diretta dell’attività degli elettroni. Una tecnica che apre nuove possibilità alla realizzazione di batterie a elevata capacità e durata, in grado di aumentare l’autonomia di percorrenza degli EV
•• Tra le frontiere con le quali la tecnologia e la ricerca si misurano ormai da tempo, vi è quella dell’energia elettrica e delle sue applicazioni pratiche. In termini di durata degli accumulatori e di qualità dell’energia prodotta e della sua stabilità di esercizio. Un nodo assolutamente cruciale per lo sviluppo della motorizzazione e per un settore che in termini di compatibilità ambientale e di contributo alla diminuzione delle emissioni in atmosfera, potrebbe avere un orizzonte illimitato davanti. Purché si superino e chiariscano alcune delle oggettive criticità che ancora appesantiscono buona parte delle realizzazioni: scarsa autonomia, peso ambientale per la produzione e per il riciclo dei materiali inquinanti necessari, malgrado il parallelo sviluppo di forme sempre più «verdi» di intervento produttivo.
Le Case automobilistiche, in primo piano quelle dell’Estremo Oriente, soprattutto giapponesi, sono da sempre all’avanguardia nell’adozione di queste nuove tipologie di energia, seguite ora da tutti i produttori del mondo. Ecco perché la giapponese Nissan, tra i maggiori produttori mondiali, si è posta la domanda se sia “possibile migliorare le prestazioni delle batterie destinate ai veicoli elettrici attraverso l’osservazione degli elettroni”. La risposta è stata cercata attraverso un progetto di ricerca avanzata condotto in collaborazione con alcune università del Giappone. E Nissan Motor Company e l’affiliata Nissan Arc Ltd. hanno annunciato pochi giorni fa 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. In proposito, Takao Asami, vice-Presidente senior di Nissan e Presidente di Nissan Arc Ltd., ha sottolineato “La creazione di questa tecnica di analisi ha rappresentato un grande passo avanti verso l’ulteriore sviluppo di batterie agli ioni di litio ad alta capacità. Sarà un elemento importante per le nostre attività di ricerca e sviluppo finalizzate all’ampliamento dell’autonomia dei futuri veicoli a zero emissioni”.
La «questione» della mobilità degli elettroni
Cerchiamo ora di capire che cosa serve per migliorare questa tecnologia. 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 compiere una misurazione precisa dell’attività degli elettroni all’interno della batteria. Ed è proprio in questo senso che ci si è mossi. 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 cambiamento che sta avvenendo attraverso la nuova tecnica adottata da Nissan è evidente. Il sistema prevede un metodo di analisi di nuova concezione che coniuga la spettroscopia (ossia l’analisi dello stato elettronico e della struttura locale degli elementi basato sulla misurazione dell’aumento dell’energia di assorbimento o limite di assorbimento dopo la radiazione di raggi X di varia intensità) con il metodo di calcolo da principi primi 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 cosiddetti «K», cioè quelli 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 dunque degli effettivi elettroni coinvolti nella reazione nella cella. Applicando, invece, la spettroscopia di assorbimento dei raggi X che utilizza i limiti di assorbimento cosiddetti «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 avevano cercato di scoprire l’origine degli elettroni durante la fase di carica e scarica. Ora questo nuovo metodo di analisi rende finalmente possibile tale scoperta.
Da questo metodo di analisi si ottiene la possibilità 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. Ed è così che si è potuto accertare che l’analisi permette di individuare 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.
Ora, non resta che attendere che questo sistema diventi praticabile su larga scala e identificabile a livello di singoli prodotti. I risultati raggiunti rappresentano certamente 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. Si avvicina dunque l’obiettivo di una maggiore autonomia dei veicoli elettrici che rendano finalmente competitivi i mezzi EV rispetto agli altri tradizionali tipi di motorizzazione.
Non sarà una breve passeggiata, ma la strada è stata imboccata. Sperando che l’alta energia e l’alta affidabilità vadano di pari passo con il contenimento sempre più marcato degli inquinanti propri di queste tecnologie.
