Le batterie metalliche hanno il potenziale per fornire più energia, con un peso inferiore, rispetto alla popolare batteria agli ioni di litio.
Il problema, tuttavia, è che la tecnologia attualmente ha una durata di vita troppo breve a causa della natura altamente reattiva del litio metallico contenuto in queste batterie. Una nuova ricerca della Chalmers University of Technology, in Svezia, mostra dove si trovano i problemi e come superarli creando l’elettrodo metallico direttamente nella cella della batteria.
Le batterie agli ioni di litio sono oggi l’opzione di batteria più popolare, ma in una società che si trova ad affrontare un’elettrificazione diffusa, sono necessarie nuove tecnologie di batterie in grado di fornire più energia per peso o volume. Ciò è importante per lo sviluppo di auto elettriche a lungo raggio o di aerei elettrici per distanze più brevi. Pertanto l’attenzione si sta ora rivolgendo alle batterie con elettrodi metallici, dove l’elettrodo di grafite della batteria agli ioni di litio è stato sostituito da litio metallico. Ad esempio, le batterie allo stato solido, considerate una delle tecnologie future più promettenti, utilizzano un elettrodo metallico e forniscono celle che forniscono una maggiore quantità di energia rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Tuttavia, gli elettrodi metallici presentano un problema: il metallo è reattivo, il che significa che reagisce facilmente con l’ambiente circostante ed è difficile creare una cella di lunga durata.
Le batterie metalliche sono una delle aree di interesse del gruppo di ricerca del professor Aleksandar Matic presso il Dipartimento di Fisica di Chalmers. Sono stati il primo gruppo di ricerca a utilizzare i raggi X 3D per monitorare il comportamento del litio in una batteria al litio metallico in tempo reale durante l’uso. Questi esperimenti hanno portato a nuove conoscenze sul problema cruciale che si presenta in questo tipo di batterie, vale a dire che il litio forma “dendriti”, ovvero strutture irregolari durante la carica e la scarica, che nel tempo influiscono sulla stabilità e sul funzionamento della batteria.
Evitare strati superficiali che danneggiano l’elettrodo metallico
Queste sono intuizioni su cui i ricercatori hanno continuato a sviluppare. Recentemente hanno presentato i risultati della loro ricerca sulle batterie metalliche sul Journal of The Electrochemical Society, mostrando un modo semplice per evitare la formazione di uno strato superficiale sull’elettrodo metallico reattivo, che deteriora la durata della batteria. I loro risultati indicano strategie future per rendere le batterie metalliche più stabili e più sicure.
Lavoriamo in un ambiente molto inerte, ma anche lì il metallo trova qualcosa con cui reagire e si forma uno strato superficiale che influenza il comportamento del metallo nella batteria. Tuttavia, abbiamo visto che queste reazioni possono in realtà essere evitate con mezzi molto semplici: invece di occuparci dei materiali reattivi degli elettrodi all’esterno della batteria, creiamo il nostro elettrodo all’interno della batteria attraverso un processo chiamato galvanica. Ciò ci consente di evitare che il metallo reattivo reagisca con l’ambiente, il che è un vantaggio in quanto otteniamo un elettrodo più prevedibile e stabile – afferma Josef Rizell, dottorando presso il Dipartimento di Fisica di Chalmers, autore principale del recente articolo insieme ad Aleksandar Matic.
Trovare strategie promettenti per le prestazioni della batteria
Una comprensione fondamentale dei processi che avvengono dentro e intorno agli elettrodi di una batteria – quando li carichiamo e li scarichiamo – è fondamentale per sviluppare batterie migliori in futuro. Una batteria è molto complessa e molte cose diverse accadono in parallelo, rendendo il sistema difficile da analizzare. Abbiamo cercato di isolare ciascuna reazione o processo separatamente e di indagare su come quel particolare processo influisce sul funzionamento della batteria. L’obiettivo è capire meglio cosa succede all’elettrodo metallico quando usiamo una batteria e quindi quali strategie sono più promettenti per farli funzionare meglio – spiega Josef Rizell.
Iniziativa del governo sulle batterie
Lo studio è uno dei tanti in corso nella ricerca sulle batterie presso Chalmers. Aleksandar Matic è il direttore di Compel di Chalmers, un’iniziativa governativa che prevede maggiori finanziamenti per la ricerca e la formazione nel campo dell’elettrificazione e della tecnologia delle batterie presso Chalmers, l’Università di Uppsala e l’Università di Lund.
Questo tipo di ricerca fondamentale è importante per aprire la strada a nuovi concetti e tecnologie di batterie. Senza di essa puoi solo provare delle cose, come orientarti senza mappa. È qui che gettiamo le basi per le innovazioni future che contribuiscono allo sviluppo sociale sostenibile. Le batterie rappresentano già una parte fondamentale di questo sviluppo e la loro importanza non potrà che aumentare in futuro – afferma Aleksandar Matic.
Come viene creato l’elettrodo nella batteria
Il metallo può essere prodotto elettrochimicamente attraverso un processo chiamato galvanica. Una tensione spinge gli elettroni verso un elettrodo e il metallo si forma sulla superficie dell’elettrodo mediante la reazione degli elettroni con gli ioni dell’elettrolita. Quando una batteria metallica viene ricaricata, avviene proprio attraverso questa reazione. Lo stesso processo può essere utilizzato anche per produrre direttamente un elettrodo metallico nella cella della batteria. Creando l’elettrodo metallico all’interno della batteria, il metallo non ha mai la possibilità di reagire con le impurità esterne alla batteria e presenta uno strato superficiale migliore e più stabile.
Maggiori informazioni sulla ricerca
I risultati della ricerca sono presentati nell’articolo Electrochemical Signatures of Potassium Plating and Stripping, pubblicato sul Journal of The Electrochemical Society, scritto da Josef Rizell, Wojciech Chrobak, Nataliia Mozhzhukhina, Shizhao Xiong e Aleksandar Matic. Tutti i ricercatori sono attivi presso la Chalmers University of Technology, in Svezia.
La ricerca ha ricevuto finanziamenti da Formas, Vinnova e dal centro di competenza BASE.
Fonte: Chalmers University of Technology
Immagine/grafica/illustrazione: Chalmers University of Technology
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