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La batteria "tutto solido" offre prestazioni migliori e maggiore sicurezza

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia delle batterie,Scienza dei materiali,Università di Ginevra
A cura dell'UNIVERSITÀ DI GINEVRA 24 NOVEMBRE 2017



Composizione della batteria al sodio solido. © Empa

Telefoni, laptop, auto elettriche: le batterie sono ovunque. E per soddisfare le aspettative dei consumatori di oggi, queste batterie sono sempre più leggere, più potenti e progettate per durare più a lungo. Attualmente la tecnologia più importante per queste applicazioni è la tecnologia delle batterie agli ioni di litio: ma la tecnologia è costosa e contiene un liquido infiammabile, che può rappresentare un pericolo per la sicurezza, in caso di abuso della batteria. Per soddisfare la crescente domanda dei mercati emergenti (auto elettriche, ad esempio, e stoccaggio di energia rinnovabile), i ricercatori dell'Empa, dei Laboratori federali svizzeri di scienza e tecnologia dei materiali e dell'Università di Ginevra (UNIGE), Svizzera, hanno ideato un nuovo prototipo di batteria: nota come “tutto solido”, questa batteria ha il potenziale per immagazzinare più energia mantenendo alti livelli di sicurezza e affidabilità. Inoltre, la batteria è a base di sodio, un'alternativa economica al litio. Leggi la ricerca in modo più dettagliato nella rivista Energy and Environmental Science.

Affinché una batteria funzioni, deve avere i seguenti tre componenti chiave: un anodo (il polo negativo), un catodo (il polo positivo) e un elettrolita. La maggior parte delle batterie utilizzate oggi nelle nostre apparecchiature elettroniche sono basate su ioni di litio. Quando la batteria si carica, gli ioni di litio lasciano il catodo e si spostano verso l'anodo. Per prevenire la formazione di dendriti di litio - una specie di stalagmite microscopica che può indurre cortocircuiti nella batteria che possono causare incendi - l'anodo delle batterie commerciali è fatto di grafite anziché di litio metallico, anche se questo metallo ultraleggero sarebbe aumentare la quantità di energia che può essere immagazzinata.

I ricercatori Empa e UNIGE si sono concentrati sui vantaggi di una batteria “solida” per far fronte alla crescente domanda dei mercati emergenti e per realizzare batterie con prestazioni ancora migliori: ricarica più rapida insieme a maggiore capacità di accumulo e maggiore sicurezza. La loro batteria utilizza un elettrolita solido anziché liquido che consente l'utilizzo di un anodo metallico bloccando la formazione di dendriti, consentendo di immagazzinare più energia garantendo la sicurezza.

Una batteria al sodio solido non infiammabile

"Ma dovevamo ancora trovare un conduttore ionico solido adatto che, oltre ad essere non tossico, fosse chimicamente e termicamente stabile, e che permettesse al sodio di muoversi facilmente tra l'anodo e il catodo", spiega Hans Hagemann, professore nel Dipartimento di Chimica Fisica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. I ricercatori hanno scoperto che una sostanza a base di boro, un closo-borano, ha permesso agli ioni sodio di circolare liberamente. Inoltre, essendo il closoborano un conduttore inorganico, elimina il rischio che la batteria prenda fuoco durante la ricarica. È un materiale, in altre parole, con numerose proprietà promettenti.

«La difficoltà è stata stabilire uno stretto contatto tra i tre strati della batteria: l'anodo, costituito da sodio metallico solido; il catodo, un ossido misto di sodio e cromo; e l'elettrolita, il closo-borano”, afferma Léo Duchêne, ricercatore presso il Laboratorio Materiali per la Conversione Energetica dell'Empa e dottorando presso il Dipartimento di Chimica Fisica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. I ricercatori hanno sciolto parte dell'elettrolita della batteria in un solvente prima di aggiungere la polvere di ossido di sodio e cromo. Una volta evaporato il solvente, hanno impilato il composito in polvere catodica con l'elettrolita e l'anodo, comprimendo i vari strati per formare la batteria.

I ricercatori dell'Empa e dell'UNIGE hanno successivamente testato la batteria. "La stabilità elettrochimica dell'elettrolita che stiamo usando qui può resistere a tre volt, mentre molti elettroliti solidi studiati in precedenza sono danneggiati alla stessa tensione", afferma Arndt Remhof, ricercatore dell'Empa e leader del progetto, sostenuto dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica (FNS) e dal Centro svizzero di competenza per la ricerca energetica sull'accumulo di calore ed elettricità (SCCER-HaE). Gli scienziati hanno anche testato la batteria su 250 cicli di carica e scarica, dopodiché l'85% della capacità energetica era ancora funzionante. "Ma sono necessari 1200 cicli prima che la batteria possa essere immessa sul mercato", affermano i ricercatori. “Inoltre, dobbiamo ancora testare la batteria a temperatura ambiente in modo da poter confermare se si formano o meno dendriti, aumentando ulteriormente la tensione. I nostri esperimenti sono ancora in corso.â€

Pubblicazione: Léo Duchêne, et al., "Una batteria agli ioni di sodio allo stato solido stabile da 3 V basata su un elettrolita closo-borato", Energy & Environmental Science, 2017; DOI: 10.1039/C7EE02420G