La batteria al litio che si ricarica in meno di 5 minuti
Stabilito un principio generale che consente a chiunque di progettare un anodo per batteria migliore
[25 Gennaio 2024]
Lo studio “Fast-Charge, Long-Duration Storage in Lithium Batteries”, pubblicato recentemente su Joule da un team di ricercatori della Cornell University illustra la creazione di «Una nuova batteria al litio che può caricarsi in meno di 5 minuti – più velocemente di qualsiasi batteria simile sul mercato – mantenendo prestazioni stabili su cicli estesi di carica e scarica».
Una svolta che potrebbe alleviare “l’ansia da autonomia” tra i conducenti che temono che i veicoli elettrici non possano percorrere lunghe distanze senza una ricarica che richiede troppo tempo. Le batterie agli ioni di litio sono tra i mezzi più diffusi per alimentare veicoli elettrici e smartphone, sono leggere, affidabili e relativamente efficienti dal punto di vista energetico. Tuttavia, impiegano ore per caricarsi e non hanno la capacità di gestire grandi picchi di corrente.
L’autore corrispondente dello studio, Lynden Archer, della Cornell Engineering, sottolinea che «L’ansia da autonomia rappresenta un ostacolo all’elettrificazione nei trasporti maggiore di qualsiasi altro ostacolo, come il costo e la capacità delle batterie, e abbiamo identificato un percorso per eliminarlo utilizzando progetti di elettrodi razionali. Se riesci a caricare la batteria di un veicolo elettrico in 5 minuti, voglio dire, cavolo, non è necessario avere una batteria abbastanza grande per avere un’autonomia di 300 miglia. Puoi accontentarti di meno, il che potrebbe ridurre il costo dei veicoli elettrici, consentendone un’adozione più ampia».
L’autore principale dello studio, Shuo Jin, uno studente di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare della Cornell, agiunge: «Il nostro obiettivo era creare progetti di elettrodi per batterie che si caricassero e scaricassero in modo da allinearsi alla routine quotidiana. In termini pratici, desideriamo che i nostri dispositivi elettronici si carichino rapidamente e funzionino per periodi prolungati. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo identificato un materiale anodico di indio unico, che può essere efficacemente accoppiato con vari materiali catodici per creare una batteria che si carica rapidamente e si scarica lentamente».
Il laboratorio di Archer si è avvicinato alla progettazione delle batterie concentrandosi su come gli ioni si muovono negli elettroliti e si cristallizzano alle interfacce degli anodi metallici, quindi ha utilizzato queste conoscenze per manipolare la morfologia degli elettrodi per creare anodi più sicuri per la conservazione a lunga durata.
Per la loro nuova batteria al litio, i ricercatori hanno preso una strada diversa e si sono concentrati sulla cinetica delle reazioni elettrochimiche, impiegando in particolare un concetto di ingegneria chimica chiamato “numero di Damköhler” e spoiegano che «Si tratta essenzialmente di una misura della velocità con cui si verificano le reazioni chimiche, rispetto alla velocità con cui il materiale viene trasportato al sito di reazione. L’identificazione di materiali per gli elettrodi delle batterie con velocità di trasporto dello stato solido intrinsecamente elevate, e quindi bassi numeri di Damköhler, ci ha aiutato a individuare l’indio come un materiale eccezionalmente promettente per le batterie a ricarica rapida».
L’indio è un metallo tenero, utilizzato principalmente per realizzare rivestimenti in ossido di indio-stagno per display touch-screen e pannelli solari. Viene anche utilizzato come sostituto del piombo nelle saldature a bassa temperatura. Il nuovo studio dimostra che «L’indio ha due caratteristiche cruciali come anodo di batteria: una barriera energetica di migrazione estremamente bassa, che stabilisce la velocità con cui gli ioni si diffondono allo stato solido; una modesta densità di corrente di scambio, che è correlata alla velocità con cui gli ioni vengono ridotti nell’anodo. La combinazione di queste qualità – diffusione rapida e cinetica di reazione superficiale lenta – è essenziale per la ricarica rapida e lo stoccaggio di lunga durata».
Archer spiega che «L’innovazione chiave è che abbiamo scoperto un principio di progettazione che consente agli ioni metallici sull’anodo di una batteria di muoversi liberamente, trovare la giusta configurazione e solo allora partecipare alla reazione di accumulo della carica. Il risultato finale è che in ogni ciclo di carica l’elettrodo si trova in uno stato morfologico stabile. E’ proprio ciò che dà alle nostre nuove batterie a ricarica rapida la capacità di caricarsi e scaricarsi ripetutamente per migliaia di cicli».
Alla Cornell evidenziano che «Questa tecnologia, abbinata alla ricarica a induzione wireless sulle strade, ridurrebbe le dimensioni – e il costo – delle batterie, rendendo il trasporto elettrico un’opzione più praticabile per i conducenti. Tuttavia, ciò non significa che gli anodi di indio siano perfetti o addirittura pratici».
Archer conferma e conclude: «Sebbene questo risultato sia entusiasmante, in quanto ci insegna come ottenere batterie a carica rapida, l’indio è pesante. Qui c’è un’opportunità per la modellazione chimica computazionale, magari utilizzando strumenti di intelligenza artificiale generativa, per scoprire quali altri materiali chimici leggeri potrebbero ottenere gli stessi numeri di Damköhler intrinsecamente bassi. Ad esempio, esistono leghe metalliche che non abbiamo mai studiato e che hanno le caratteristiche desiderate? Ecco da dove viene la mia soddisfazione, dal fatto che esiste un principio generale che consente a chiunque di progettare un anodo per batteria migliore che raggiunga velocità di ricarica più rapide rispetto alla tecnologia all’avanguardia».