Come mettere insieme le potenzialità delle batterie litio-aria, in grado di fornire grandi quantitativi di energia rispetto al loro peso con migliori performance in termini di efficienza e durabilità? Lo hanno fatto un gruppo di scienziati, composto da Ju Li, della Battelle Energy Alliance e Professore di Scienze Nucleari e Ingegneria al MIT (Massachussets Institute of Technology), dal postdottorato Zhi Zhu presso lo stesso istituto e da altri 5 ricercatori provenienti dal MIT, dall’Argonne National Laboratory e dalla Peking University in Cina.

Hanno osservato i limiti della batterie litio-aria e hanno cercato di porvi rimedio. Queste ultime infatti, pur avendo enormi potenzialità per l’applicazione su auto elettriche e dispositivi elettronici portatili, hanno due gravi limiti: comportano un notevole spreco, come calore, dell’energia immessa in fase di carica e non sono molto longeve.

Per quanto riguarda il primo punto, basti pensare che tra la tensione in entrata e quella in uscita, ci sono almeno 1,2 volt di differenza, perché ad ogni ciclo circa il 30% della potenza viene perso. In questo tipo di batterie l’ossigeno viene prelevato dall’aria per reagire con il litio, mentre la batteria si sta scaricando. Poi l’ossigeno ritorna in forma gassosa in atmosfera nella fase di carica. È anche questo che comporta tale spreco di energia.

Nel nuovo tipo di batterie ideato dal team di ricerca invece, avvengono le stesse reazioni tra litio e ossigeno, ma senza che quest’ultimo ritorni in forma gassosa. Rimane all’interno di un solido realizzato in ossido di cobalto, che stabilizza il tutto, e segue un percorso tra i suoi 3 stati redox: Li2O, Li2O2 e LiO2. In tal modo la perdita di tensione è solo di 0,24 volt e solo l’8% dell’energia elettrica si trasforma in calore. Diversi test hanno dimostrato che dopo 120 cicli di ricarica queste batterie perdevano solo il 2% della loro potenza.

Il fatto di evitare la continua trasformazione tra forme solide e gassose dell’ossigeno impedisce anche quei cambiamenti di volume che interferiscono con la conduzione elettrica comportando una vita limitata delle batterie litio-aria. Le nuove batterie ad ossidi di litio hanno però anche un altro vantaggio: il processo di carica è naturalmente autolimitante in caso di sovraccarico e in ogni caso non sussiste la stessa pericolosità che contraddistingue le batterie classiche. Ju Li infatti spiega:

Con una batteria tipica, se si sovraccarica, si possono causare danni strutturali irreversibili o può addirittura esplodere.

Abbiamo sovraccaricato le nuove batterie per 15 giorni, a cento volte la loro capacità, ma non c’è stato nessun danno.

Nelle nuove batterie il peso del catodo è piuttosto ridotto, è quindi possibile stoccare il doppio dell’energia a parità di peso, rispetto a quelle tradizionali. Gli scienziati addirittura dicono che ci sono gli elementi per migliorare ulteriormente il design della batteria fino a farla arrivare al doppio dell’energia attualmente stoccabile. Tutto questo con materiali per niente costosi.

Per adesso questa batteria è ancora un esperimento da laboratorio, ma il team prevede che entro un anno potrà essere realizzato il primo prototipo. Le speranze per le future applicazioni sono elevate: rispetto alle classiche batterie litio-aria, Li sostiene che siano:

Molto scalabili, economiche, e molto più sicure.

26 luglio 2016
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Fonte:
MIT
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MIT
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