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Le batterie LMR tornano al centro del discorso sulle auto elettriche grazie a uno studio firmato da LG Energy Solution insieme alla Seoul National University, che ha trovato il modo di renderle molto più stabili nel tempo. Il risultato, numeri alla mano, parla di celle capaci di conservare il 92% dell’energia dopo 883 cicli, con una quantità di cobalto ridotta quasi a zero. Un dettaglio che pesa parecchio, perché il cobalto è il materiale che fa lievitare il conto finale di una batteria.
La sigla sta per Lithium Manganese Rich e indica un catodo ricco di manganese. Il catodo è l’elettrodo positivo, quello che accoglie il litio quando la cella si scarica, e il materiale con cui viene costruito determina quanta energia si riesce a immagazzinare. Nella soluzione messa a punto dai ricercatori il manganese prende in larga parte il posto del cobalto, che scende allo 0,27% in peso, mantenendo comunque una quota importante di nichel.
Perché il manganese conviene così tanto
Il ragionamento economico è piuttosto semplice. Il cobalto costa molto e viene estratto in pochissimi Paesi, il manganese invece si trova quasi ovunque. Da qui la corsa dell’industria verso queste chimiche, inseguite ormai da anni. Nel confronto pubblicato nello studio, stimato partendo dal costo delle materie prime, il catodo LMR si colloca attorno ai 55 euro per kWh contro i circa 95 euro di un catodo NMC811, quello ad alto contenuto di nichel usato oggi nelle vetture a lunga autonomia. E tutto questo mantenendo una densità di energia dello stesso ordine, nettamente superiore a quella delle celle al litio ferro fosfato, economiche ma meno capaci di immagazzinare energia in poco spazio.
La capacità elevata dipende da un meccanismo particolare. A scambiare elettroni con il litio non sono soltanto i metalli di transizione, cioè nichel e manganese, ma anche l’ossigeno presente nel catodo. Come capita spesso, però, il punto di forza coincide con il punto debole. Durante la carica l’ossigeno cede elettroni, quindi si ossida, e in fase di scarica dovrebbe riprenderseli tutti. Quando non ci riesce, nel catodo resta ossigeno in uno stato troppo ossidato. Ciclo dopo ciclo gli atomi di ossigeno tendono ad accoppiarsi, a staccarsi dalla struttura e a lasciare vuoti che si aggregano in cavità di pochi nanometri.
Il trucco sta nella scarica profonda
Analizzando lo stato di ossidazione dell’ossigeno, i ricercatori hanno scoperto che il recupero degli elettroni dipende da due tensioni e non da una sola. Sul fronte della carica, fermandosi a 4,3 volt invece che a 4,6, la quota di ossigeno ossidato che torna allo stato iniziale sale dall’86,1 al 97,1%. Fin qui, niente di clamoroso.
La parte davvero inedita riguarda il fondo raggiunto in scarica. Una porzione della reazione dell’ossigeno avviene sotto i 3 volt, una soglia sotto la quale le batterie normalmente non scendono mai. Nei test, i campioni fatti lavorare fino a 3 volt mostrano le nanocavità, mentre quelli scaricati fino a 2 volt no, a parità di tensione massima di 4,3 volt. Il protocollo che ne deriva viene chiamato Protocol 4320, dai valori di carica e scarica. Su un catodo tradizionale al nichel scendere così in basso non avrebbe alcun senso, perché non ci sarebbe capacità da recuperare e anzi il materiale ne uscirebbe danneggiato. Nelle celle LMR accade il contrario, la scarica profonda restituisce capacità e durata insieme.
Dal laboratorio alle celle da automobile
Partendo da questa base, i tecnici di LG Energy Solution hanno ridisegnato i protocolli delle celle da 40 Ah, un formato già pensato per l’auto, portando il ciclo di lavoro tra 4,25 e 2,00 volt. Con questa combinazione l’energia specifica parte da 663 Wh per chilogrammo, valore riferito alla massa del solo materiale attivo di catodo e non alla cella completa, per scendere a 612 dopo 883 cicli. Appunto il 92% circa.
Il lavoro in laboratorio ha toccato anche amperaggi da produzione, ma l’azienda non ha ancora fornito alcuna indicazione sui tempi di realizzazione delle celle di grande formato. Il percorso, insomma, è appena cominciato.
