Batterie a base d’acqua con maggiore capacità di accumulo di quelle agli ioni di litio?
Potrebbero permettere di eliminare il litio e il cobalto
[5 Aprile 2023]
Lo studio “The role of the electrolyte in non-conjugated radical polymers for metal-free aqueous energy storage electrodes”, pubblicato recentemente su Nature Materials della Texas A&M University ha scoperto «Una differenza del 1.000% nella capacità di accumulo degli elettrodi della batteria a base d’acqua privi di metallo».
I ricercatori spiegano che «Queste batterie sono diverse dalle batterie agli ioni di litio che contengono cobalto». L’obiettivo del team di ottenere batterie senza metallo deriva dall’avere un migliore controllo sulla catena di approvvigionamento statunitense, perché il cobalto e il litio sono importati. Inoltre, «Questa chimica più sicura eviterebbe anche gli incendi delle batterie».
L’autrice senior dello studio, l’ingegnera chimica Jodie Lutkenhaus conferma: «Non ci sarebbero più incendi di batterie perché sono a base d’acqua. In futuro, dato che si prevede una carenza di materiali, il prezzo delle batterie agli ioni di litio aumenterà notevolmente. Se disponiamo di questa batteria alternativa, possiamo rivolgerci a questa chimica, dove la i rifornimenti sono molto più stabili perché possiamo produrle qui negli Stati Uniti e i materiali per realizzarle sono qui».
La Lutkenhaus spiega a sua volta che «Le batterie acquose sono costituite da un catodo, un elettrolita e un anodo. I catodi e gli anodi sono polimeri in grado di immagazzinare energia e l’elettrolita è acqua miscelata con sali organici. L’elettrolita è la chiave per la conduzione degli ioni e l’accumulo di energia attraverso le sue interazioni con l’elettrodo. Se un elettrodo si gonfia troppo durante il ciclo, allora non può condurre molto bene gli elettroni e perde tutte le prestazioni. Credo che, a causa degli effetti di rigonfiamento, ci sia una differenza del 1.000% nella capacità di accumulo di energia, a seconda della scelta dell’elettrolita».
Secondo lo studio, finanziato dal Dipartimento dell’energia Usa e dalla National Science Foundation attraverso la Texas A&M Engineering Experiment Station, «I redox-active, polimeri radicali non coniugati (elettrodi), sono candidati promettenti per batterie acquose prive di metallo graziedell’elevata tensione di scarica dei polimeri e della rapida cinetica redox». Ma «La reazione è complessa e difficile da risolvere a causa del trasferimento simultaneo di elettroni, ioni e molecole d’acqua. Dimostriamo la natura della reazione redox esaminando elettroliti acquosi di vario carattere cao-/kosmotropico utilizzando una microbilancia elettrochimica di cristalli di quarzo con monitoraggio della dissipazione in una serie di scale temporali».
Il team di ricerca di un altrio autore dello studio, il chimico Daniel Tabor, ha integrato i lavori sperimentali con la simulazione e l’analisi computazionale e le simulazioni hanno fornito informazioni sul quadro microscopico su scala molecolare della struttura e della dinamica.
Tabor evidenzia che «Teoria ed esperimento spesso lavorano a stretto contatto per comprendere questi materiali. Una delle nuove cose che facciamo computazionalmente in questo articolo è che carichiamo effettivamente l’elettrodo a più stati di carica e vediamo come l’ambiente circostante risponde a questa caricaz.
I ricercatori hanno osservato macroscopicamente se il catodo della batteria funzionava meglio in presenza di determinati tipi di Sali, misurando esattamente la quantità di acqua e sale che entrano nella batteria durante il funzionamento.
Tabor conclude: «Vorremmo espandere le nostre simulazioni ai sistemi futuri. Avevamo bisogno di confermare la nostra teoria su quali sono le forze che stanno guidando quel tipo di iniezione di acqua e solvente. Con questa nuova tecnologia di accumulo di energia, questa è una spinta in avanti verso le batterie senza litio. Abbiamo un migliore quadro a livello molecolare di ciò che fa funzionare alcuni elettrodi della batteria meglio di altri, e questo ci dà una forte evidenza di dove procedere nella progettazione dei materiali».