Un nuovo approccio potrebbe aumentare la capacità energetica delle batterie al litio

Un nuovo approccio potrebbe aumentare la capacità energetica delle batterie al litio
Il diagramma molecolare mostra la struttura del solfuro di molibdeno, uno dei materiali utilizzati per creare il nuovo tipo di catodo per batterie litio-zolfo. Credito: Massachusetts Institute of Technology

I ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di batterie che abbiano un impatto ma siano più piccole e leggere delle versioni odierne, consentendo potenzialmente alle auto elettriche di viaggiare più lontano o all’elettronica portatile di funzionare più a lungo senza ricaricarsi. Ora, i ricercatori del MIT e in Cina affermano di aver fatto un grande progresso in questo settore, con una nuova versione di un componente chiave per le batterie al litio, il catodo.

Il team descrive il loro concetto come catodo “ibrido”, perché combina aspetti di due diversi approcci che sono stati utilizzati in precedenza, uno per aumentare la produzione di energia per libbra (densità di energia gravimetrica), l’altro per l’energia per litro (energia volumetrica densità). La combinazione sinergica, dicono, produce una versione che offre i vantaggi di entrambi e altro ancora.

Il lavoro è descritto oggi sulla rivista Energia della natura, in un articolo di Ju Li, un professore del MIT di scienza e ingegneria nucleare e di scienza e ingegneria dei materiali; Weijiang Xue, un postdoc del MIT; e altri 13

Le odierne batterie agli ioni di litio tendono a utilizzare catodi (uno dei due elettrodi in una batteria) realizzati con un ossido di metallo di transizione, ma le batterie con catodi in zolfo sono considerate un’alternativa promettente per ridurre il peso. Oggi, i progettisti di batterie al litio-zolfo affrontano un compromesso.

I catodi di tali batterie sono generalmente realizzati in uno dei due modi, noti come tipi di intercalazione o tipi di conversione. I tipi di intercalazione, che utilizzano composti come l’ossido di litio e cobalto, forniscono un’elevata densità di energia volumetrica, con un notevole impatto per volume a causa della loro elevata densità. Questi catodi possono mantenere la loro struttura e le loro dimensioni incorporando atomi di litio nella loro struttura cristallina.

L’altro approccio del catodo, chiamato tipo di conversione, utilizza lo zolfo che viene trasformato strutturalmente e viene anche temporaneamente disciolto nell’elettrolita. “In teoria, questi [batteries] hanno una densità di energia gravimetrica molto buona”, dice Li. “Ma la densità volumetrica è bassa”, in parte perché tendono a richiedere molti materiali extra, incluso un eccesso di elettrolita e carbonio, usati per fornire conduttività.

Nel loro nuovo sistema ibrido, i ricercatori sono riusciti a combinare i due approcci in un nuovo catodo che incorpora sia un tipo di solfuro di molibdeno chiamato Chevrel-phase, sia zolfo puro, che insieme sembrano fornire i migliori aspetti di entrambi. Hanno usato particelle dei due materiali e li hanno compressi per creare il catodo solido. “È come l’innesco e il tritolo in un esplosivo, uno ad azione rapida e uno con maggiore energia per peso”, dice Li.

Tra gli altri vantaggi, la conduttività elettrica del materiale combinato è relativamente elevata, riducendo così la necessità di carbonio e il volume complessivo, afferma Li. I tipici catodi di zolfo sono costituiti dal 20 al 30 percento di carbonio, dice, ma la nuova versione richiede solo il 10 percento di carbonio.

L’effetto netto dell’utilizzo del nuovo materiale è sostanziale. Le odierne batterie commerciali agli ioni di litio possono avere densità di energia di circa 250 wattora per chilogrammo e 700 wattora per litro, mentre le batterie litio-zolfo superano circa 400 wattora per chilogrammo ma solo 400 wattora per litro. La nuova versione, nella sua versione iniziale che non ha ancora subito un processo di ottimizzazione, può già raggiungere più di 360 wattora per chilogrammo e 581 wattora per litro, afferma Li. Può battere sia le batterie agli ioni di litio che quelle al litio-zolfo in termini di combinazione di queste densità di energia.

Con un ulteriore lavoro, dice, “pensiamo di poter arrivare a 400 wattora per chilogrammo e 700 wattora per litro”, con quest’ultima cifra pari a quella degli ioni di litio. Il team ha già fatto un passo avanti rispetto a molti esperimenti di laboratorio volti a sviluppare un prototipo di batteria su larga scala: invece di testare piccole celle a bottone con capacità di solo alcuni milliampere-ora, hanno prodotto una cella a sacchetto a tre strati (una cella standard subunità nelle batterie per prodotti come i veicoli elettrici) con una capacità superiore a 1.000 milliampere/ora. Questo è paragonabile ad alcune batterie commerciali, indicando che il nuovo dispositivo corrisponde alle caratteristiche previste.

Finora, la nuova cella non può essere all’altezza della longevità delle batterie agli ioni di litio in termini di numero di cicli di carica-scarica che può attraversare prima di perdere troppa energia per essere utile. Ma quella limitazione “non è il problema del catodo”; ha a che fare con il design generale della cella e “ci stiamo lavorando”, dice Li. Anche nella sua forma iniziale attuale, dice, “questo può essere utile per alcune applicazioni di nicchia, come un drone a lungo raggio”, dove sia il peso che il volume contano più della longevità.

“Penso che questa sia una nuova arena per la ricerca”, dice Li.


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