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Creato un nuovo tipo di batteria che può caricare 10 volte più velocemente delle batterie agli ioni di litio

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia delle batterie,Ingegneria chimica,Energia,Polimeri,Popolari,Batterie agli ioni di litio
Da ST. UNIVERSITÀ STATALE DI PIETROBURGO 9 APRILE 2021



Rappresentazione simbolica della formula chimica del nuovo polimero. Credito: Anatoliy A. Vereshchagin.

Inoltre, è più sicuro in termini di potenziali rischi di incendio e ha un minor impatto ambientale.

È difficile immaginare la nostra vita quotidiana senza batterie agli ioni di litio. Dominano il mercato delle batterie di piccolo formato per dispositivi elettronici portatili e sono anche comunemente usati nei veicoli elettrici. Allo stesso tempo, le batterie agli ioni di litio presentano una serie di problemi seri, tra cui: un potenziale rischio di incendio e perdita di prestazioni a basse temperature; nonché un notevole impatto ambientale dello smaltimento delle batterie esaurite.

Secondo il leader del team di ricercatori, professore presso il Dipartimento di elettrochimica dell'Università di San Pietroburgo, Oleg Levin, i chimici hanno esplorato polimeri contenenti nitrossile redox-attivi come materiali per l'immagazzinamento di energia elettrochimica. Questi polimeri sono caratterizzati da un'elevata densità di energia e da un'elevata velocità di carica e scarica grazie alla rapida cinetica redox. Una sfida per l'implementazione di tale tecnologia è l'insufficiente conduttività elettrica. Ciò impedisce la raccolta di carica anche con additivi altamente conduttivi, come il carbonio.

Alla ricerca di soluzioni per superare questo problema, i ricercatori dell'Università di San Pietroburgo hanno sintetizzato un polimero basato sul complesso nichel-salen (NiSalen). Le molecole di questo metallopolimero agiscono come un filo molecolare a cui sono attaccati pendenti nitrossilici ad alta intensità energetica. L'architettura molecolare del materiale consente di ottenere prestazioni ad alta capacità in un ampio intervallo di temperature.



Professore nel Dipartimento di Elettrochimica dell'Università di San Pietroburgo Oleg Levin. Credito: SPBU.

â€Abbiamo ideato questo materiale nel 2016. In quel momento, abbiamo iniziato a sviluppare un progetto fondamentale â€Materiali elettrodici per batterie agli ioni di litio a base di polimeri organometallici†. È stato sostenuto da una sovvenzione della Russian Science Foundation. Studiando il meccanismo di trasporto di carica in questa classe di composti, abbiamo scoperto che ci sono due direzioni chiave di sviluppo. In primo luogo, questi composti possono essere utilizzati come strato protettivo per coprire il cavo conduttore principale della batteria, che sarebbe altrimenti realizzato con i tradizionali materiali delle batterie agli ioni di litio. E in secondo luogo, possono essere utilizzati come componente attivo dei materiali di accumulo di energia elettrochimica', spiega Oleg Levin.

Il polimero ha richiesto più di tre anni per svilupparsi. Nel primo anno, gli scienziati hanno testato il concetto del nuovo materiale: hanno combinato singoli componenti per simulare la struttura portante elettricamente conduttrice e pendenti contenenti nitrossile con attività redox. Era essenziale assicurarsi che tutte le parti della struttura lavorassero insieme e si rinforzassero a vicenda. La fase successiva è stata la sintesi chimica del composto. È stata la parte più impegnativa del progetto. Questo perché alcuni dei componenti sono estremamente sensibili e anche il minimo errore di uno scienziato può causare il degrado dei campioni.

Dei numerosi campioni di polimero ottenuti, solo uno è risultato sufficientemente stabile ed efficiente. La catena principale del nuovo composto è formata da complessi di nichel con ligandi salenici. Un radicale libero stabile, capace di rapida ossidazione e riduzione (carica e scarica), è stato collegato alla catena principale tramite legami covalenti.

“Una batteria prodotta utilizzando il nostro polimero si ricarica in pochi secondi, circa dieci volte più velocemente di una batteria tradizionale agli ioni di litio. Questo è già stato dimostrato attraverso una serie di esperimenti. Tuttavia, in questa fase, è ancora in ritardo in termini di capacità, dal 30 al 40% inferiore rispetto alle batterie agli ioni di litio. Attualmente stiamo lavorando per migliorare questo indicatore mantenendo il tasso di carica-scarica', afferma Oleg Levin.

Il catodo per la nuova batteria è stato fabbricato: un elettrodo positivo per l'uso in sorgenti di corrente chimica. Ora abbiamo bisogno dell'elettrodo negativo, l'anodo. In effetti, non deve essere creato da zero: può essere selezionato tra quelli esistenti. Accoppiati insieme formeranno un sistema che, in alcune aree, potrebbe presto sostituire le batterie agli ioni di litio.

“La nuova batteria è in grado di funzionare a basse temperature e sarà un'ottima opzione laddove la ricarica rapida è fondamentale. È sicuro da usare: non c'è nulla che possa rappresentare un rischio di combustione, a differenza delle batterie a base di cobalto oggi diffuse. Contiene anche significativamente meno metalli che possono causare danni ambientali. Il nichel è presente nel nostro polimero in piccola quantità, ma ce n'è molto meno che nelle batterie agli ioni di litio», afferma Oleg Levin.

Riferimento: "The Fast and the Capacious: A [Ni(Salen)]" TEMPO Redox" Conducting Polymer per batterie organiche" di Anatoliy A. Vereshchagin, Dr. Daniil A. Lukyanov, Ilia R. Kulikov, Dr. Naitik A. Panjwani, Dr. Elena A. Alekseeva, Prof. Jan Behrends e Prof. Oleg V. Levin, 17 novembre 2020, Batterie e Supercaps.
DOI: 10.1002/batt.20200220