Lithium-Air: A Battery Breakthrough Explained

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Nella ricerca di batterie più piccole, più durature e più potenti, gli scienziati hanno provato molti approcci alternativi alla chimica delle batterie. Uno potrebbe aver appena prodotto la svolta che stiamo aspettando.

La leggenda metropolitana è che c’era una piccola perdita in una cella di batteria che chimico K M Abraham stava testando nel suo laboratorio nel 1995, che ha fornito la cella con un contenuto energetico molto più elevato del previsto. Piuttosto che cercare di riparare la perdita, Abraham ha studiato e scoperto la prima batteria ricaricabile al litio-aria (Li-air). Finora questa scoperta non ha portato a prodotti tecnicamente validi, ma un articolo pubblicato su Science da un gruppo di ricerca dell’Università di Cambridge potrebbe essere in procinto di cambiarlo.

Nel 2008, Tesla ha stupito gli osservatori del settore con la sua audace vettura Roadster elettrica che funzionava su batterie agli ioni di litio (Li-ion), il tipo che alimenta tutto, dagli smartphone ai laptop alle fotocamere e ai giocattoli. Da allora, non solo il mercato dei veicoli elettrici è cresciuto rapidamente, ma anche la gamma media delle batterie che li alimentano. Tuttavia, la crescita deve accelerare: dal 1994 ci sono voluti 20 anni per triplicare il contenuto energetico di una tipica batteria agli ioni di litio.

La nuova ricerca, guidata dai professori Gunwoo Kim e Clare Grey, ha sperimentato con celle Li-air che utilizzano solo un conduttore di elettroni, come il carbonio leggero e poroso, invece di un metallo-ossido tipicamente utilizzato in una batteria Li-ion. In pratica, questo consente di risparmiare un sacco di peso, ma porta le proprie difficoltà.

Come funzionano le batterie al litio-aria

Una cella Li-aria crea tensione dalla disponibilità di molecole di ossigeno (O2) all’elettrodo positivo. O2 reagisce con gli ioni di litio caricati positivamente per formare perossido di litio (Li2O2) e generare energia elettrica. Gli elettroni vengono estratti dall’elettrodo e tale batteria è vuota (scarica) se non si può formare più Li2O2.

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Teoricamente, una batteria Li-air è vuota (scarica) quando tutti i pori dell’elettrodo positivo (lato destro) sono riempiti con perossido di litio, mostrato qui riempimento dall’alto verso il basso. L’autore ha fornito

Tuttavia, Li2O2 è un pessimo conduttore di elettroni. Se i depositi di Li2O2 crescono sulla superficie dell’elettrodo che fornisce gli elettroni per la reazione, smorza e alla fine uccide la reazione, e quindi la potenza della batteria. Questo problema può essere superato se il prodotto di reazione (perossido di litio in questo caso) è conservato vicino all’elettrodo ma non lo ricopre.

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I ricercatori di Cambridge hanno trovato una ricetta che fa esattamente questo – utilizzando una miscela elettrolitica standard e aggiungendo ioduro di litio (LI) come additivo. L’esperimento del team include anche un elettrodo piuttosto spugnoso e soffice fatto di molti sottili strati di grafene pieni di pori dilatati. L’ultimo ingrediente importante è una piccola quantità di acqua.

Con questa combinazione di sostanze chimiche, la reazione quando la batteria si scarica non forma il Li2O2 che potrebbe aumentare la superficie di conduzione dell’elettrodo (vedi immagine sotto, lato sinistro). Invece incorpora idrogeno spogliato dall’acqua (H2O) per formare cristalli di idrossido di litio (LiOH). Questi cristalli riempiono le dimensioni dei pori nell’elettrodo di carbonio soffice, ma fondamentalmente non rivestono e bloccano la superficie di carbonio vitale che sta generando l’alimentazione di tensione (lato destro). Quindi la presenza di ioduro di litio come” facilitatore ” (anche se il suo ruolo esatto non è ancora chiaro) e acqua come co-reagente nel processo aumenta la capacità della batteria Li-air.

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Batterie Li-air con perossido di litio (a sinistra, bloccando l’elettrodo di carbonio) e idrossido di litio (a destra, con elettrodo sbloccato) come prodotti di scarico. Si noti che la struttura dei pori dell’elettrodo non è disegnata per semplicità. Autore fornito

In che modo Li-Air cambierà le cose?

Questo processo che assicura la superficie dell’elettrodo è tenuto chiaro è essenziale per aumentare la capacità della batteria. Tuttavia, lo svantaggio è che la stessa mancanza di contatto elettrico tra l’elettrodo e il prodotto di scarico che aumenta la sua capacità dovrebbe in linea di principio rendere difficile la ricarica.

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Ancora una volta, si scopre che l’additivo ioduro di litio è l’ingrediente mancante necessario: all’elettrodo, gli ioni ioduro caricati negativamente vengono convertiti in ioni I3 (triioduro) (vedi immagine, lato destro). Questi si combinano con i cristalli LiOH e si dissolvono, consentendo una ricarica completa eliminando i pori.

Ricarica batterie Li-air. A sinistra: il perossido di litio deve essere rimosso dalla superficie del carbonio. A destra: ciclo di ioduro e triioduro, dove il triioduro scioglie chimicamente l’idrossido di litio, liberando gli elementi in modo che possano essere nuovamente combinati per produrre elettricità. Autore fornito

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In realtà questo meccanismo è ancora più efficace rispetto alla ricarica di Li2O2 attaccato alla superficie dell’elettrodo. Poiché gli elettroni non hanno bisogno di viaggiare attraverso uno strato Li2O2, è necessaria meno tensione per ricaricare una batteria Li-air con l’additivo di iodio che senza di essa. Quindi è necessaria meno energia per ricaricare la batteria, il che renderebbe un’auto elettrica funzionante con una batteria Li-air più efficiente dal punto di vista energetico. Gli autori dello studio presentano dati che si avvicinano a un’efficienza energetica di circa il 90%, il che avvicina questa nuova tecnologia delle batterie a quella delle tradizionali batterie agli ioni di litio.

I loro risultati rivelano una promettente via da seguire per la tecnologia Li-air, in un momento in cui molti altri gruppi di ricerca hanno rinunciato. Man mano che più ricercatori tornano sull’argomento dopo questa svolta, forse una batteria Li-air commerciale diventerà finalmente realtà.

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Harry Hoster, Direttore di Energia Lancaster e Professore di chimica fisica, Lancaster University

Questo articolo è stato originariamente pubblicato sulla Conversazione. Leggi l’articolo originale.

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