Progressi per le batterie litio-aria, chiamate anche litio-ossigeno. I ricercatori del MIT di Boston hanno trovato un modo per aumentare la densità di questo tipo di soluzioni, producendo così un dispositivo capace di archiviare molta più energia per unità di peso rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, usate nella maggior parte dei dispositivi elettronici.
Questo studio è il proseguo di un progetto dell'anno passato in cui era stata dimostrata la migliore efficienza nelle batterie litio-aria grazie all'uso di catalizzatori basati su metalli nobili.
In linea di principio le batterie litio-aria hanno il potenziale per conservare molta più energia per unità di peso rispetto alle soluzioni agli ioni di litio, poiché rimpiazzano uno degli elettrodi pesanti solidi con una soluzione al carbonio poroso che archivia energia catturando ossigeno direttamente dall'aria che fluisce attraverso il sistema, e combinandola con gli ioni di litio per formare l'ossido di litio.
Il funzionamento di una batteria litio-aria. Gli ioni di litio si combinano con l'ossigeno per formare particelle di ossido di litio che si attaccano alle fibre di carbonio sull'elettrodo quando la batteria è in funzione. Durante la ricarica, l'ossido di litio si separa nuovamente in litio e ossido e il processo si ripete all'infinito. Foto: Mitchell, Gallant e Shao-Horn
Il nuovo studio va un passo oltre e affonda le proprie radici nella creazione di elettrodi basati sulla fibra di carbonio che sono più porosi degli altri al carbonio e perciò possono stivare in modo più efficiente il litio ossidato solido che riempie i pori quando la batteria si scarica.
"Usando il processo di deposizione chimica da vapore facciamo crescere insiemi di nanofibre al carbonio allineati verticalmente. Quest'ordine offre una struttura a elevata conduttività e bassa densità per lo stoccaggio di energia", ha dichiarato Robert Mitchell, ricercatore del MIT.
Secondo la ricercatrice Betar Gallant durante la scarica sulle fibre di carbonio crescono particelle di perossido di litio. Nella progettazione di un materiale per l'elettrodo ideale è importante "minimizzare la quantità di carbonio, che aggiunge peso non voluto alla batteria, e massimizzare lo spazio disponibile per il perossido di litio", il composto attivo che si forma durante la scarica delle batterie litio-aria.
"Siamo stati in grado di creare un nuovo materiale composto da più del 90% di spazio vuoto che può essere riempito dal materiale reattivo durante il funzionamento della batteria", ha dichiarato la professoressa Yang Shao-Horn.
Nelle prime ricerche sulle batterie litio-aria, Shao Horn e i propri studenti sono stati in grado di dimostrare che è possibile realizzare elettrodi più efficienti per batterie litio-aria avvalendosi di particelle di carbonio. In quello studio le strutture in carbonio erano molto più complesse, ma offrivano solamente il 70% di spazio vuoto.
Quanto la batteria è in uso, le particelle di perossido di litio formano piccoli punti sui lati della nanofibra di carbonio (immagine superiore), e possono assumere forme toroidali (a ciambella) più grandi quando la batteria continua a scaricarsi (immagine inferiore). Foto: Mitchell, Gallant e Shao-Horn
L'energia gravimetrica - il quantitativo di energia che possono stoccare per un dato peso - archiviata dal nuovo tipo di elettrodi "è tra i valori più elevati raggiunti a oggi, il che dimostra che modificare la struttura del carbonio è una strada promettente per aumentare la densità energetica delle batterie litio-aria", ha dichiarato la ricercatrice Gallant.
Il risultato è un elettrodo che può archiviare quattro volte l'energia per unità di peso rispetto alle soluzioni di una batteria agli ioni di litio.
Per tradurre in un prodotto commerciale questa nuova scoperta servono tuttavia ulteriori studi e per ora i ricercatori non si sono sbilanciati facendo proclami o fissando date. Poiché che gli elettrodi prendono la forma di insiemi ordinati di fibre di carbonio, si può usare un microscopio elettronico a scansione per osservare il comportamento degli elettrodi nello stato intermedio di carica.
I ricercatori affermano che la capacità di osservare il processo è cruciale per migliorare le prestazioni della batteria. Ad esempio gli studiosi potrebbero capire perché i sistemi esistenti si degradano dopo molti cicli di carica/scarica.