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La nuova batteria potrebbe superare i principali svantaggi delle batterie al litio-aria

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia delle batterie,Scienza dei materiali,Nanoscienza,Nanotecnologia,Nucleare,Popolare
Di DAVID L. CHANDLER, MIT NEWS 26 LUGLIO 2016



In un nuovo concetto per i catodi delle batterie, particelle su scala nanometrica fatte di composti di litio e ossigeno (raffigurate in rosso e bianco) sono incorporate in un reticolo spugnoso (giallo) di ossido di cobalto, che le mantiene stabili.

Gli ingegneri del MIT propongono che un nuovo materiale per batterie al litio-ossigeno potrebbe essere confezionato in batterie che sono molto simili alle batterie sigillate convenzionali ma forniscono molta più energia per il loro peso.

Le batterie al litio-aria sono considerate tecnologie molto promettenti per le auto elettriche e i dispositivi elettronici portatili a causa del loro potenziale di fornire un'elevata produzione di energia in proporzione al loro peso. Ma tali batterie hanno alcuni inconvenienti piuttosto seri: sprecano gran parte dell'energia iniettata sotto forma di calore e si degradano in tempi relativamente brevi. Richiedono anche costosi componenti aggiuntivi per pompare l'ossigeno dentro e fuori, in una configurazione a celle aperte che è molto diversa dalle batterie sigillate convenzionali.

Ma una nuova variante della chimica della batteria, che potrebbe essere utilizzata in una batteria convenzionale completamente sigillata, promette prestazioni teoriche simili a quelle delle batterie litio-aria, superando tutti questi inconvenienti.

Il nuovo concetto di batteria, chiamato batteria a catodo nanolitio, è descritto sulla rivista Nature Energy in un articolo di Ju Li, il professore di scienza e ingegneria nucleare della Battelle Energy Alliance al MIT; postdottorato Zhi Zhu; e altri cinque al MIT, all'Argonne National Laboratory e all'Università di Pechino in Cina.

Uno dei difetti delle batterie al litio-aria, spiega Li, è la mancata corrispondenza tra le tensioni coinvolte nella carica e nella scarica delle batterie. La tensione di uscita delle batterie è di oltre 1,2 volt inferiore alla tensione utilizzata per caricarle, il che rappresenta una significativa perdita di potenza in ogni ciclo di carica. â€Sprechi il 30 percento dell'energia elettrica sotto forma di calore durante la ricarica. "Può effettivamente bruciare se lo si carica troppo velocemente", dice.

Rimanere solido

Le batterie convenzionali al litio-aria assorbono ossigeno dall'aria esterna per innescare una reazione chimica con il litio della batteria durante il ciclo di scarica, e questo ossigeno viene poi rilasciato nuovamente nell'atmosfera durante la reazione inversa nel ciclo di carica.

Nella nuova variante, lo stesso tipo di reazioni elettrochimiche avvengono tra il litio e l'ossigeno durante la carica e la scarica, ma avvengono senza mai far tornare l'ossigeno alla forma gassosa. Invece, l'ossigeno rimane all'interno del solido e si trasforma direttamente tra i suoi tre stati redox, mentre è legato sotto forma di tre diversi composti chimici solidi, Li2O, Li2O2 e LiO2, che sono mescolati insieme sotto forma di vetro. Ciò riduce la perdita di tensione di un fattore cinque, da 1,2 volt a 0,24 volt, quindi solo l'8% dell'energia elettrica viene trasformata in calore. "Ciò significa una ricarica più rapida per le auto, poiché la rimozione del calore dal pacco batteria è meno preoccupante per la sicurezza, oltre a vantaggi in termini di efficienza energetica", afferma Li.

Questo approccio aiuta a superare un altro problema con le batterie al litio-aria: poiché la reazione chimica coinvolta nella carica e nella scarica converte l'ossigeno tra forme gassose e solide, il materiale subisce enormi cambiamenti di volume che possono interrompere i percorsi di conduzione elettrica nella struttura, limitandone gravemente la durata. .

Il segreto della nuova formulazione è creare minuscole particelle, su scala nanometrica (miliardesimi di metro), che contengono sia il litio che l'ossigeno sotto forma di vetro, confinate strettamente all'interno di una matrice di ossido di cobalto. I ricercatori si riferiscono a queste particelle come nanolithia. In questa forma, le transizioni tra LiO2, Li2O2 e Li2O possono avvenire interamente all'interno del materiale solido, dice.

Le particelle di nanoliti sarebbero normalmente molto instabili, quindi i ricercatori le hanno incorporate all'interno della matrice di ossido di cobalto, un materiale spugnoso con pori di appena pochi nanometri. La matrice stabilizza le particelle e funge anche da catalizzatore per le loro trasformazioni.

Le batterie convenzionali al litio-aria, spiega Li, sono "davvero batterie al litio-ossigeno secco, perché non sono in grado di gestire l'umidità o l'anidride carbonica", quindi devono essere accuratamente lavate dall'aria in ingresso che alimenta il batterie. "Sono necessari grandi sistemi ausiliari per rimuovere l'anidride carbonica e l'acqua, ed è molto difficile farlo". Ma la nuova batteria, che non ha mai bisogno di aspirare aria esterna, aggira questo problema.

Nessun sovraccarico

La nuova batteria è anche intrinsecamente protetta dal sovraccarico, afferma il team, perché la reazione chimica in questo caso è naturalmente autolimitante: quando viene sovraccaricata, la reazione si sposta in una forma diversa che impedisce un'ulteriore attività. "Con una batteria tipica, se la si sovraccarica, può causare danni strutturali irreversibili o addirittura esplodere", afferma Li. Ma con la batteria nanolithia, "abbiamo sovraccaricato la batteria per 15 giorni, fino a cento volte la sua capacità, ma non ci sono stati danni".

Nei test sui cicli, una versione di laboratorio della nuova batteria è stata sottoposta a 120 cicli di carica-scarica e ha mostrato una perdita di capacità inferiore al 2%, indicando che tali batterie potrebbero avere una lunga durata utile. E poiché tali batterie potrebbero essere installate e azionate proprio come le tradizionali batterie agli ioni di litio solido, senza nessuno dei componenti ausiliari necessari per una batteria al litio-aria, potrebbero essere facilmente adattate alle installazioni esistenti o ai design di batterie convenzionali per auto, elettronica, o anche l'accumulo di energia su scala di rete.

Poiché questi catodi di "ossigeno solido" sono molto più leggeri dei catodi convenzionali delle batterie agli ioni di litio, il nuovo design potrebbe immagazzinare fino al doppio della quantità di energia per un dato peso del catodo, afferma il team. E con un ulteriore perfezionamento del design, afferma Li, le nuove batterie potrebbero alla fine raddoppiare nuovamente tale capacità.

Tutto questo viene realizzato senza l'aggiunta di componenti o materiali costosi, secondo Li. Il carbonato che usano come elettrolita liquido in questa batteria "è il tipo più economico" di elettrolita, dice. E il componente di ossido di cobalto pesa meno del 50 percento del componente di nanolitia. Nel complesso, il nuovo sistema di batterie è "molto scalabile, economico e molto più sicuro" delle batterie litio-aria, afferma Li.

Il team prevede di passare da questa prova di concetto su scala di laboratorio a un prototipo pratico entro circa un anno.

"Si tratta di una svolta fondamentale, che potrebbe cambiare il paradigma delle batterie a base di ossigeno", afferma Xiulei Ji, assistente professore di chimica all'Oregon State University, che non è stato coinvolto in questo lavoro. “In questo sistema, l'elettrolita commerciale a base di carbonato funziona molto bene con navette di superossido solvatato, il che è piuttosto impressionante e potrebbe avere a che fare con la mancanza di O2 gassoso in questo sistema sigillato. Tutte le masse attive del catodo durante il ciclo sono solide, il che presenta non solo una grande densità di energia, ma anche compatibilità con l'attuale infrastruttura di produzione delle batterie.â€

Il gruppo di ricerca comprendeva i ricercatori del MIT Akihiro Kushima e Zongyou Yin; Lu Qi dell'Università di Pechino; e Khalil Amine e Jun Lu dell'Argonne National Laboratory in Illinois. Il lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Pubblicazione: Zhi Zhu, et al., "catodi di nanolitia anione-redox per batterie agli ioni di litio", Nature Energy 1, numero articolo: 16111 (2016); doi:10.1038/nenergy.2016.111