Il Percorso Continua per batterie al Litio-Aria Batterie

UN nuovo catodo potrebbe migliorare la durata della batteria, ma di litio-aria batterie ancora solo per la durata di circa due mesi

Per i proprietari di veicoli elettrici, l’ansia della gamma—la paura di rimanere senza energia prima della prossima stazione di ricarica—è reale. Le case automobilistiche, desiderose di portare i veicoli elettrici sul mercato di massa, hanno cercato per anni alternative che potessero immagazzinare più carica delle odierne batterie agli ioni di litio.

Un’opzione è litio-aria, e un team di ricercatori ha inventato un nuovo tipo di catodo che essi sostengono può allungare la vita di tali batterie. In uno studio pubblicato su Applied Catalysis B: Ambientale, il team dalla Corea del Sud e Thailandia descrivono come hanno rivestito nanoflakes solfuro di nichel cobalto su un catodo di grafene drogato con zolfo. Il risultato: un elettrodo che vanta sia una migliore conducibilità elettrica e attività catalitica.

“È un approccio progettuale molto interessante”, afferma Harry Hoster, direttore di Energy Lancaster, un istituto di ricerca con sede nel Regno Unito dedicato alle tecnologie energetiche.

Le batterie di solito generano energia elettrica attraverso una reazione redox. Nel caso delle batterie al litio-aria, il litio dall’anodo viene ossidato mentre le molecole di ossigeno vengono ridotte al catodo. Il prodotto risultante è perossido di litio (Li2O2).

Il catodo è presumibilmente dove avviene la magia. Poiché l’ossigeno può essere fornito continuamente dall’aria piuttosto che immagazzinato in quantità finite all’interno della cella, le batterie al litio-aria possono teoricamente fornire una densità di energia 10 volte quella dei loro cugini agli ioni di litio. E più perossido di litio si accumula sul catodo di grafite, maggiore è la capacità di carica della batteria.

Modificando il catodo di carbonio con zolfo rende più facile per il perossido di litio per attaccare ad esso, dice Hoster. “Gli atomi di zolfo forniscono punti di colla locali, punti di ancoraggio per le cose a cui attenersi”, dice.

Lo zolfo fornisce anche ulteriori vantaggi alla batteria, afferma il chimico fisico Sangaraju Shanmugam dell’Istituto coreano di Scienza e Tecnologia Daegu Gyeongbuk e uno dei coautori del documento. Poiché gli atomi di zolfo sono di dimensioni molto più grandi rispetto alle loro controparti di carbonio, il doping dello zolfo del catodo espande la struttura del reticolo di carbonio poroso, aumentando la sua superficie. “Quando ciò accade, gli elettroni possono muoversi meglio all’interno del grafene e quindi la conduttività elettrica è migliorata”, afferma Shanmugam.

Rivestire la superficie del catodo con nanoflakes di solfuro di nichel cobalto fornisce una spinta aggiuntiva aumentando l’attività catalitica. “Lo zolfo interagisce con i siti metallici nel solfuro di nichel cobalto e c’è una forte interazione sinergica tra la superficie del grafene e i nanoflakes”, spiega Shanmugam.

I fiocchi inoltre formano uno strato protettivo fra la superficie del catodo ed il prodotto di scarico risultante del perossido di litio, che è altamente corrosivo. Il risultato è una ciclabilità della batteria molto migliorata-poco più di 1.700 ore, o più di due mesi—che Shanmugam dice è “uno dei punti di forza” della loro invenzione. Anche la capacità di scarico specifica è “ultra alta” a quasi 14.200 milliampere ora per grammo (mAh/g). Un brevetto è in attesa in Corea per la nuova tecnologia.

“I materiali che hanno proposto sono molto, molto interessanti…e sembra che siano i primi a portare questo alla comunità”, dice Hoster di Lancaster. Ma è cauto su quanto siano ottimistici i risultati.

Il sistema deve essere testato in modo più robusto, dice. Per misurare correttamente l’attività elettrocatalitica, i ricercatori avrebbero dovuto fare un voltammogramma ciclico (un tipo di test in cui viene applicata una tensione esterna e variata per vedere come la corrente della batteria cambia in modo corrispondente) ad alta, piuttosto che bassa, velocità. Inoltre, l’esperimento di scarica che hanno condotto è troppo superficiale (fermandosi a una capacità specifica di 1,000 mAh/g) per essere considerato un vero e proprio stress test, perché “non si producono molti dei prodotti laterali che causano la batteria a svanire nel lungo periodo”, dice Hoster.

Evidenzia anche la bassa efficienza di carica della batteria, che è una misura di quanta energia si ottiene rispetto all’energia che si mette in carica. La perdita di energia può risultare a causa della produzione di calore o di reazioni collaterali indesiderate che avvengono agli elettrodi. A circa il 65 per cento, è dal 15 al 25 per cento inferiore a quello che ci aspetteremmo dalle batterie agli ioni di litio. Questa è una delle numerose preoccupazioni che continuano ad affliggere l’uso di batterie al litio-aria. Altri includono cosa fare con il sottoprodotto di perossido di litio chimicamente aggressivo che si forma, che richiede un’alta tensione di carica per rimuovere, può decomporre l’elettrolita e successivamente limitare la durata del ciclo di una batteria.

Anche l’anodo di litio puro pone un problema. Altamente reattivo, il litio può infiammarsi se esposto all’acqua e ad altri elementi. Poi c’è il problema dell’aria stessa. Mentre la fornitura di ossigeno alle batterie funziona bene in un laboratorio, non è fattibile per i veicoli elettrici in esecuzione su strade. L’utilizzo dell’aria è l’obiettivo, ma è necessario prima rimuovere le impurità dannose per la batteria come l’anidride carbonica e il vapore acqueo.

Queste sfide di sviluppo hanno smorzato l’entusiasmo per le batterie al litio-aria negli ultimi anni, con aziende come IBM e il Joint Center for Energy Storage Research finanziato dagli Stati Uniti abbandonando la loro ricerca a favore di altri tipi di batterie di nuova generazione. Anche la Faraday Institution, un Regno Unito. istituzione che ha versato £65 milioni nella ricerca sulle batterie, ha deciso di investire in batterie al litio-zolfo su batterie al litio-aria nel suo ultimo round di finanziamento perché pensavano che il primo fosse “anche rischioso ma più realistico”, dice Hoster.

“È stata una realtà che fa riflettere…la batteria al litio-ossigeno è un po ‘come ciò che la fusione nucleare è nelle grandi tecnologie”, dice. “Ci sono grandi potenziali vittorie, ma ci sono molte questioni in sospeso.”

Tuttavia, poiché le batterie al litio-aria hanno una densità di energia potenzialmente 10 volte superiore a quella dei tradizionali ioni di litio, “c’è ancora un grande gioco da giocare”, afferma Hoster. “Ma bisogna gestire le aspettative.”