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Il nuovo design della batteria potrebbe dare una scossa ai veicoli elettrici

2021-06-16
Un progresso significativo nell'architettura delle batterie potrebbe essere una svolta per i veicoli elettrici e lo stoccaggio in rete.



Un campione di 'Cambridge grezzo', una sostanza nera e appiccicosa che può alimentare un nuovo tipo di batteria altamente efficiente. Dietro il pallone è visibile un prototipo della batteria a flusso semi-solido.



I membri del gruppo di ricerca includevano (da sinistra a destra) il neolaureato Mihai Duduta ‘10, il Prof. W. Craig Carter, lo studente laureato Bryan Ho e il Prof. Yet-Ming Chiang.

Un approccio radicalmente nuovo alla progettazione delle batterie, sviluppato dai ricercatori del MIT, potrebbe fornire un'alternativa leggera ed economica alle batterie esistenti per i veicoli elettrici e la rete elettrica. La tecnologia potrebbe persino rendere il "rifornimento di carburante" di tali batterie semplice e veloce come pompare benzina in un'auto convenzionale.

La nuova batteria si basa su un'architettura innovativa chiamata cella a flusso semisolida, in cui le particelle solide sono sospese in un liquido di trasporto e pompate attraverso il sistema. In questo progetto, i componenti attivi della batteria - gli elettrodi positivo e negativo, o catodi e anodi - sono composti da particelle sospese in un elettrolita liquido. Queste due diverse sospensioni vengono pompate attraverso sistemi separati da un filtro, come una sottile membrana porosa.

Il lavoro è stato svolto da Mihai Duduta '10 e dallo studente laureato Bryan Ho, sotto la guida dei professori di scienza dei materiali W. Craig Carter e Yet-Ming Chiang. È descritto in un articolo pubblicato il 20 maggio sulla rivista Advanced Energy Materials. Il documento è stato co-autore del ricercatore in visita Pimpa Limthongkul '02, postdoc Vanessa Wood '10 e studente laureato Victor Brunini '08.

Una caratteristica importante del nuovo design è che separa le due funzioni della batteria - immagazzinare energia finché non è necessaria e scaricarla quando deve essere utilizzata - in strutture fisiche separate. (Nelle batterie convenzionali, lo stoccaggio e lo scaricamento avvengono entrambi nella stessa struttura.) Separare queste funzioni significa che le batterie possono essere progettate in modo più efficiente, afferma Chiang.

Il nuovo design dovrebbe consentire di ridurre le dimensioni e il costo di un sistema completo di batterie, compresi tutti i supporti strutturali e i connettori, a circa la metà dei livelli attuali. Questa drastica riduzione potrebbe essere la chiave per rendere i veicoli elettrici pienamente competitivi con i veicoli convenzionali alimentati a gas o diesel, affermano i ricercatori.

Un altro potenziale vantaggio è che nelle applicazioni sui veicoli, un tale sistema consentirebbe la possibilità di "rifornire di carburante" semplicemente la batteria pompando fuori la sospensione liquida e pompandola in una sostituzione fresca e completamente carica, o sostituendo i serbatoi come i pneumatici ad un pit-stop, pur conservando la possibilità di ricaricare semplicemente il materiale esistente quando il tempo lo permette.

Le batterie a flusso esistono da tempo, ma hanno utilizzato liquidi con densità di energia molto bassa (la quantità di energia che può essere immagazzinata in un dato volume). Per questo motivo, le batterie a flusso esistenti occupano molto più spazio delle celle a combustibile e richiedono un pompaggio rapido del loro fluido, riducendo ulteriormente la loro efficienza.

Le nuove batterie a flusso semisolido introdotte da Chiang e colleghi superano questa limitazione, fornendo un miglioramento di 10 volte nella densità di energia rispetto alle attuali batterie a flusso liquido e una produzione a basso costo rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Poiché il materiale ha una densità di energia così elevata, non ha bisogno di essere pompato rapidamente per erogare la sua potenza. "Un po' trasuda", dice Chiang. Poiché le sospensioni sembrano e scorrono come una sostanza appiccicosa nera e potrebbero finire per essere utilizzate al posto del petrolio per il trasporto, dice Carter: "Lo chiamiamo "greggio di Cambridge".

L'intuizione chiave del team di Chiang è stata che sarebbe stato possibile combinare la struttura di base delle batterie a flusso acquoso con la comprovata chimica delle batterie agli ioni di litio, riducendo i materiali solidi delle batterie a minuscole particelle che potrebbero essere trasportate in una sospensione liquida, simile al modo in cui le sabbie mobili possono fluire come un liquido anche se sono costituite principalmente da particelle solide. "Stiamo utilizzando due tecnologie collaudate e le stiamo mettendo insieme", afferma Carter.

Oltre alle potenziali applicazioni nei veicoli, il nuovo sistema di batterie potrebbe essere scalato fino a dimensioni molto grandi a basso costo. Ciò lo renderebbe particolarmente adatto per lo stoccaggio di elettricità su larga scala per i servizi di pubblica utilità, rendendo potenzialmente pratiche fonti intermittenti e imprevedibili come l'energia eolica e solare per l'alimentazione della rete elettrica.

Il team ha deciso di "reinventare la batteria ricaricabile", afferma Chiang. Ma il dispositivo che hanno ideato è potenzialmente un'intera famiglia di nuovi sistemi di batterie, perché è un'architettura di design che "non è collegata a nessuna particolare chimica". Chiang e i suoi colleghi stanno ora esplorando diverse combinazioni chimiche che potrebbe essere utilizzato all'interno del sistema di flusso semi-solido. "Scopriremo cosa può essere praticamente sviluppato oggi", dice Chiang, "ma man mano che arrivano materiali migliori, possiamo adattarli a questa architettura".

Yury Gogotsi, illustre professore universitario presso la Drexel University e direttore del Drexel's Nanotechnology Institute, afferma: "La dimostrazione di una batteria agli ioni di litio semisolida è un importante passo avanti che dimostra che è possibile utilizzare materiali attivi di tipo liquame. per immagazzinare energia elettrica". Questo progresso, dice, "ha un'importanza enorme per il futuro della produzione e dello stoccaggio dell'energia".

Gogotsi avverte che realizzare una versione pratica e commerciale di una tale batteria richiederà ricerche per trovare migliori materiali ed elettroliti per catodi e anodi, ma aggiunge: "Non vedo problemi fondamentali che non possono essere affrontati - quelli sono principalmente questioni di ingegneria. Naturalmente, lo sviluppo di sistemi funzionanti in grado di competere con le batterie attualmente disponibili in termini di costi e prestazioni potrebbe richiedere anni.â€

Chiang, le cui prime intuizioni sulla chimica delle batterie agli ioni di litio hanno portato alla fondazione nel 2001 dello spin-off del MIT A123 Systems, afferma che le due tecnologie sono complementari e affrontano potenziali applicazioni diverse. Ad esempio, le nuove batterie a flusso semi-solido probabilmente non saranno mai adatte per applicazioni più piccole come utensili o dove sono richieste brevi raffiche di potenza molto elevata, aree in cui le batterie A123 eccellono.

La nuova tecnologia è stata concessa in licenza a una società chiamata 24M Technologies, fondata la scorsa estate da Chiang e Carter insieme all'imprenditore Throop Wilder, che è il presidente della società. La società ha già raccolto più di 16 milioni di dollari in capitale di rischio e finanziamenti per la ricerca federale.

Lo sviluppo della tecnologia è stato in parte finanziato da sovvenzioni dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa del Dipartimento della difesa degli Stati Uniti e dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata - Energia (ARPA-E). La continua ricerca sulla tecnologia avviene in parte presso 24M, dove fanno parte del team alcuni neolaureati del MIT che hanno lavorato al progetto; al MIT, dove le professoresse Angela Belcher e Paula Hammond sono co-investigatrici; e alla Rutgers, con il professor Glenn Amatucci.

L'obiettivo del lavoro in corso del team, nell'ambito di una sovvenzione ARPA-E triennale assegnata nel settembre 2010, è di avere, entro la fine del periodo di sovvenzione, “un sistema prototipo completamente funzionante e in scala ridotta ", afferma Chiang, pronto per essere progettato per la produzione in sostituzione delle batterie esistenti per auto elettriche.