Alluminio: ancora un’altra potenziale alternativa alle batterie agli ioni di litio

Ricerca sulle batterie sia nei veicoli elettrici (EV) a ricarica rapida che nei dispositivi portatili Punti interessanti in continua evoluzione per i progettisti elettronici. Le batterie a base di litio e piombo hanno dominato a lungo il mercato, ma questi materiali sono soggetti a burnout e problemi di approvvigionamento.

I nuovi arrivati ​​sono emersi come materiale che può essere utilizzato nella produzione di batterie, ma non è il silicio. È alluminio.

Perché alluminio?

Il litio, che è in qualche modo contenuto nella maggior parte delle batterie, viene scomposto da rocce dure e depositi di acqua salata e può essere prodotto mescolando diversi prodotti chimici e minerali. Tuttavia, l’utilità del litio è inadeguata quando mancano materiali complementari come il cobalto e il fosforo che devono affrontare sfide di approvvigionamento e produzione.

nel frattempo, l’alluminio è uno dei materiali metallici più abbondanti sul pianeta. Studi recenti hanno suggerito che le batterie a base di alluminio sono più economiche, più leggere e più accessibili delle batterie a base di litio.

Confronto tra alluminio e litio. Per gentile concessione delle immagini utilizzate La frontiera della chimica

Il problema è che è difficile incorporare l’alluminio negli elettrodi della batteria. Diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno cercando modi per integrare l’alluminio nei metodi standard di gestione delle batterie. Da questi studi, l’alluminio ha mostrato risultati promettenti, tra cui l’accumulo di energia e solide capacità di ricarica. Ad esempio, l’alluminio ha una capacità di volume quattro volte superiore a quella dell’analogo al litio.

Batterie in alluminio della Cornell University

Di recente, i ricercatori della Cornell University hanno studiato una varietà di materiali a basso costo da creare. Batteria secondaria con materiale agli ioni di alluminio.

I ricercatori hanno osservato un separatore in fibra di vetro che separa le parti anodo e catodo della batteria all’interno della batteria stessa. La fibra di vetro si è scontrata con le particelle di alluminio e si è cortocircuitata, provocando un guasto alla batteria.

L’alluminio aderisce alle fibre di carbonio nella cella della batteria. Per gentile concessione delle immagini utilizzate dalla Cornell University

I ricercatori hanno risolto questo problema progettando un substrato intrecciato con fibre di carbonio per formare legami chimici più forti con il materiale in alluminio. Quando la batteria è stata caricata, l’alluminio è stato depositato sulla struttura in carbonio e raggruppato in una lastra multistrato per evitare il contatto con il separatore in fibra di vetro.

Questo studio di Cornell suggerisce che le batterie con anodo di alluminio possono essere caricate e scaricate in modo reversibile in pochi ordini. Dalla loro ricerca, i ricercatori hanno scoperto che le batterie in alluminio con anodo di zinco offrono una lunga durata del ciclo.

L’alluminio può sbloccare la funzione di ricarica rapida

Dall’altra parte del mondo, la cinese Dalian University of Technology (DUT) ha recentemente collaborato con l’Università del Nebraska (UNL). Sviluppa soluzioni a base di alluminio affidabili, portatili e a ricarica rapida.

Un team di collaboratori ha scoperto che il componente richiede un’iniezione di corrente elevata per consentire alla batteria di accettare una capacità di ricarica più rapida. Tuttavia, l’introduzione di una corrente maggiore ridurrà significativamente la resistenza complessiva.

I ricercatori del DUT e dell’UNL hanno aggiunto una rete tridimensionale di grafene (che si comporta come una fibra di carbonio alla Cornell University) per impedire all’alluminio di legarsi al separatore. Il grafene ha contribuito ad aumentare la capacità di carica della batteria. Tuttavia, una volta che il materiale di grafene ha afferrato gli anioni che si sono accumulati all’interno della cella, è stato difficile rilasciarli.

Rete di grafene 3D dopo l’essiccazione di anidride carbonica supercritica. Per gentile concessione delle immagini utilizzate Nature

Ciò significa che il grafene e l’alluminio sono un buon inizio per mostrare l’accumulo di energia, ma potrebbero non essere efficienti nel dissipare la carica sul dispositivo. Per risolvere questo problema, gli sviluppatori devono depositare una quantità extra di alluminio per bilanciare il grafene e facilitare la dissipazione dell’energia.

Secondo questo studio, le batterie agli ioni di alluminio possono caricare il dispositivo in 0,35 secondi.

Il futuro di “Al Air” e delle batterie in alluminio

Come suggeriscono i ricercatori di Cornell e DUT-UNL, la chiave per le batterie a base di alluminio potrebbe essere il materiale intrecciato dello strato 3D combinato con l’alluminio. Ciò consente di creare celle della batteria che forniscono un accumulo di energia su larga scala e una rapida dissipazione dell’energia.

Alcune aziende hanno già commercializzato batterie a base di alluminio. Ad esempio, la startup israeliana Phinergy e la Indian Oil Corporation stanno lavorando insieme alla batteria “Aluminum air” (Al-Air) per veicoli elettrici. Questa tecnologia funziona quando la batteria Al-Air assorbe ossigeno dall’ambiente circostante e reagisce con acqua e alluminio per generare elettricità. La batteria può essere ricaricata con nuovi anodi ed elettroliti quando l’alluminio è completamente eroso.

Il principio di funzionamento della batteria alluminio-aria. Immagine utilizzata da The courtesy Indian era

Le batterie a base di alluminio sono ancora lontane dalla commercializzazione tradizionale, ma la ricerca in corso suggerisce che questo materiale potrebbe un giorno fungere da alternativa alle soluzioni standard agli ioni di litio.

Potenziale alternativa alle batterie agli ioni di litio

L’alluminio non è l’unico materiale che i ricercatori stanno cercando come alternativa alle batterie al litio. Dai un’occhiata ad altre risorse che ti interessano.

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