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Scienza resa semplice: cosa sono le batterie e come funzionano?

2021-06-16

TEMI:
Batteria, Tecnologia, DOE, Energia, Batterie agli ioni di litio
A cura del DIPARTIMENTO DELL'ENERGIA DEGLI STATI UNITI 9 MAGGIO 2021



Batterie e dispositivi simili accettano, immagazzinano e rilasciano elettricità su richiesta. Le batterie utilizzano la chimica, sotto forma di potenziale chimico, per immagazzinare energia, proprio come molte altre fonti energetiche quotidiane. Ad esempio, i tronchi immagazzinano energia nei loro legami chimici finché la combustione non converte l'energia in calore.

La benzina è energia potenziale chimica immagazzinata fino a quando non viene convertita in energia meccanica nel motore di un'auto. Allo stesso modo, affinché le batterie funzionino, l'elettricità deve essere convertita in una forma potenziale chimica prima che possa essere prontamente immagazzinata.

Le batterie sono costituite da due terminali elettrici chiamati catodo e anodo, separati da un materiale chimico chiamato elettrolita. Per accettare e rilasciare energia, una batteria è accoppiata a un circuito esterno. Gli elettroni si muovono attraverso il circuito, mentre contemporaneamente gli ioni (atomi o molecole con una carica elettrica) si muovono attraverso l'elettrolita.

In una batteria ricaricabile, gli elettroni e gli ioni possono muoversi in entrambe le direzioni attraverso il circuito e l'elettrolita. Quando gli elettroni si spostano dal catodo all'anodo, aumentano l'energia potenziale chimica, caricando così la batteria; quando si muovono nella direzione opposta, convertono questa energia potenziale chimica in elettricità nel circuito e scaricano la batteria. Durante la carica o la scarica, gli ioni di carica opposta si muovono all'interno della batteria attraverso l'elettrolita per bilanciare la carica degli elettroni che si muovono attraverso il circuito esterno e produrre un sistema sostenibile e ricaricabile. Una volta caricata, la batteria può essere scollegata dal circuito per immagazzinare l'energia potenziale chimica per un successivo utilizzo come elettricità.

Le batterie sono state inventate nel 1800, ma i loro processi chimici sono complessi. Gli scienziati stanno utilizzando nuovi strumenti per comprendere meglio i processi elettrici e chimici nelle batterie per produrre una nuova generazione di accumulatori di energia elettrica altamente efficienti. Ad esempio, stanno sviluppando materiali migliorati per anodi, catodi ed elettroliti nelle batterie. Gli scienziati studiano i processi nelle batterie ricaricabili perché non si invertono completamente quando la batteria viene caricata e scaricata. Nel tempo, la mancanza di un'inversione completa può modificare la chimica e la struttura dei materiali della batteria, il che può ridurre le prestazioni e la sicurezza della batteria.

Fatti sullo stoccaggio dell'energia elettrica
. Il Premio Nobel per la Chimica 2019 è stato assegnato congiuntamente a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino "per lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio".
. L'Electrolyte Genome presso JCESR ha prodotto un database computazionale con oltre 26.000 molecole che possono essere utilizzate per calcolare le proprietà chiave degli elettroliti per batterie nuove e avanzate.

DOE Office of Science & Electrical Energy Storage
La ricerca supportata dal DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) ha prodotto miglioramenti significativi nello stoccaggio dell'energia elettrica. Ma siamo ancora lontani dalle soluzioni complete per lo stoccaggio dell'energia di nuova generazione che utilizzano materiali nuovi di zecca che possono migliorare notevolmente la quantità di energia che una batteria può immagazzinare. Questo stoccaggio è fondamentale per l'integrazione delle fonti di energia rinnovabile nella nostra fornitura di elettricità. Poiché il miglioramento della tecnologia delle batterie è essenziale per l'uso diffuso di veicoli elettrici plug-in, lo stoccaggio è anche fondamentale per ridurre la nostra dipendenza dal petrolio per i trasporti.

BES supporta la ricerca di singoli scienziati e presso centri multidisciplinari. Il centro più grande è il Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), un centro di innovazione energetica del DOE. Questo centro studia materiali e fenomeni elettrochimici su scala atomica e molecolare e utilizza computer per progettare nuovi materiali. Questa nuova conoscenza consentirà agli scienziati di progettare uno stoccaggio di energia più sicuro, durare più a lungo, caricarsi più velocemente e con una capacità maggiore. Poiché gli scienziati supportati dal programma BES ottengono nuovi progressi nella scienza delle batterie, questi progressi vengono utilizzati dai ricercatori applicati e dall'industria per migliorare le applicazioni nei trasporti, nella rete elettrica, nelle comunicazioni e nella sicurezza.