Nuovo design per il litio

Le nuove batterie potrebbero un giorno alimentare automobili, aeroplani e camion

Laboratorio nazionale DOE/Argonne

immagine: lo schema mostra la cella della batteria al litio-aria composta da anodo di litio metallico, catodo a base di aria ed elettrolita polimerico ceramico solido (CPE). Durante la scarica e la carica, gli ioni di litio (Li+) vanno dall'anodo al catodo, quindi indietro.vedere di più

Credito: (Immagine del Laboratorio nazionale Argonne.)

Molti proprietari di auto elettriche desideravano un pacco batteria in grado di alimentare il proprio veicolo per più di mille miglia con una singola carica. I ricercatori dell’Illinois Institute of Technology (IIT) e dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato una batteria al litio-aria che potrebbe trasformare questo sogno in realtà. Il nuovo design della batteria del team potrebbe un giorno alimentare anche aerei domestici e camion a lungo raggio.

Il principale nuovo componente di questa batteria al litio-aria è un elettrolita solido invece del solito tipo liquido. Le batterie con elettroliti solidi non sono soggette al problema di sicurezza con gli elettroliti liquidi utilizzati nelle batterie agli ioni di litio e in altri tipi di batterie, che possono surriscaldarsi e prendere fuoco.

“La batteria al litio-aria ha la densità energetica prevista più alta di qualsiasi altra tecnologia presa in considerazione per la prossima generazione di batterie oltre agli ioni di litio”. - Larry Curtiss, Distinguished Fellow di Argonne

Ancora più importante, quello della squadraLa chimica della batteria con l'elettrolita solido può potenzialmente aumentare la densità energetica fino a quattro volte rispetto alle batterie agli ioni di litio, il che si traduce in una maggiore autonomia di guida.

"Per oltre un decennio, gli scienziati dell'Argonne e altrove hanno fatto gli straordinari per sviluppare una batteria al litio che sfrutta l'ossigeno presente nell'aria", ha affermato Larry Curtiss, un Distinguished Fellow dell'Argonne. "La batteria al litio-aria ha la densità energetica prevista più alta di qualsiasi tecnologia di batteria presa in considerazione per la prossima generazione di batterie oltre agli ioni di litio."

Nei precedenti progetti litio-aria, il litio in un anodo di litio metallico si muove attraverso un elettrolita liquido per combinarsi con l'ossigeno durante la scarica, producendo perossido di litio (Li2O2) o superossido (LiO2) al catodo. Il perossido o superossido di litio viene quindi scomposto nei suoi componenti litio e ossigeno durante la carica. Questa sequenza chimica immagazzina e rilascia energia su richiesta.

Il nuovo elettrolita solido del team è composto da un materiale polimerico ceramico costituito da elementi relativamente economici sotto forma di nanoparticelle. Questo nuovo solido consente reazioni chimiche che producono ossido di litio (Li2O) allo scarico.

"La reazione chimica per il superossido o perossido di litio coinvolge solo uno o due elettroni immagazzinati per molecola di ossigeno, mentre quella per l'ossido di litio coinvolge quattro elettroni", ha affermato il chimico di Argonne Rachid Amine. Più elettroni immagazzinati significano una maggiore densità di energia.

Il progetto litio-aria del team è la prima batteria litio-aria che ha raggiunto una reazione a quattro elettroni a temperatura ambiente. Funziona anche con l'ossigeno fornito dall'aria dell'ambiente circostante. La capacità di funzionare con l'aria evita la necessità di far funzionare i serbatoi di ossigeno, un problema con i progetti precedenti.

Il team ha utilizzato molte tecniche diverse per stabilire se si stava effettivamente verificando una reazione a quattro elettroni. Una tecnica chiave è stata la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) dei prodotti di scarica sulla superficie del catodo, che è stata eseguita presso il Centro per i materiali su nanoscala di Argonne, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science. Le immagini TEM hanno fornito preziose informazioni sul meccanismo di scarica a quattro elettroni.

Le precedenti celle di prova litio-aria soffrivano di cicli di vita molto brevi. Il team ha stabilito che questo difetto non è il caso del nuovo design della batteria costruendo e facendo funzionare una cella di prova per 1000 cicli, dimostrandone la stabilità dopo cariche e scariche ripetute.

“Con l’ulteriore sviluppo, ci aspettiamo che anche il nostro nuovo design per la batteria al litio-aria raggiunga una densità energetica record di 1200 wattora per chilogrammo”, ha affermato Curtiss. "È quasi quattro volte migliore delle batterie agli ioni di litio."