Sviluppato un anodo per batterie di prossima generazione

I ricercatori di Carnegie Mellon hanno sviluppato un anodo di metallo semi-liquido per batterie di prossima generazione. Il nuovo anodo potrebbe contribuire a creare una batteria al litio in metallo ad alta energia più sicura.

I ricercatori del Mellon College of Science e del College of Engineering della Carnegie Mellon University hanno sviluppato un anodo semiliquido basato su metallo che rappresenta un nuovo paradigma nella progettazione delle batterie. Le batterie al litio prodotte con questo nuovo tipo di elettrodo potrebbero avere una capacità maggiore ed essere molto più sicure rispetto alle batterie a base di litio concepite sul metallo che utilizzano come anodo la lamina di litio.

Il team di ricerca interdisciplinare ha pubblicato le sue scoperte nell'attuale numero di Joule. (1)

Le batterie a base di litio sono uno dei tipi più comuni di batterie ricaricabili utilizzate nell'elettronica moderna a causa della loro capacità di immagazzinare grandi quantità di energia. Tradizionalmente, queste batterie sono fatte di elettroliti liquidi combustibili e due elettrodi, un anodo e un catodo, che sono separati da una membrana. Dopo che una batteria è stata caricata e scaricata ripetutamente, fili di litio chiamati dendriti possono crescere sulla superficie dell'elettrodo. I dendriti possono penetrare attraverso la membrana che separa i due elettrodi. Ciò consente il contatto tra l'anodo e il catodo che può causare il cortocircuito della batteria e, nel peggiore dei casi, prendere fuoco.

Il dottor Krzysztof Matyjaszewski, (2) J.C. Warner University Professor of Natural Sciences nel Dipartimento di Chimica di Carnegie Mellon, spiega: "incorporare un anodo di litio metallico nelle batterie agli ioni di litio ha il potenziale teorico di creare una batteria con una capacità molto maggiore di una batteria con un anodo di grafite, ma la cosa più importante che dobbiamo fare è assicurarci che la batteria che creiamo sia sicura."

Una soluzione proposta agli elettroliti liquidi volatili, utilizzati nelle batterie correnti, è di sostituirli con elettroliti ceramici solidi. Questi elettroliti sono altamente conduttivi, non combustibili e abbastanza robusti da resistere ai dendriti. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che il contatto tra l'elettrolita ceramico e un anodo di litio solido non è sufficiente per immagazzinare e fornire la quantità di energia necessaria per la maggior parte dell'elettronica.

Sipei Li, (3) uno studente di dottorato nel Dipartimento di Chimica di Carnegie Mellon, e Han Wang, uno studente di dottorato nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Carnegie Mellon, sono stati in grado di superare questa lacuna creando una nuova classe di materiali che può essere utilizzata come semiliquido anodo metallico.

In sinergia con il dottor Krzysztof Matyjaszewski del Mellon College of Science, leader in chimica dei polimeri e scienza dei materiali, e Jay Whitacre, (4) professore fiduciario in energia presso il College of Engineering e direttore del Wilton E. Scott Institute for Energy Innovation presso Carnegie Mellon, che è rinomato per il suo lavoro nello sviluppo di nuove tecnologie per lo stoccaggio e la generazione di energia, Li e Wang hanno creato una matrice composita polimerica / carbonio a doppia conduttività con microparticelle di litio distribuite uniformemente. La matrice rimane fluida a temperatura ambiente, il che gli consente di creare un livello sufficiente di contatto con l'elettrolita solido. Combinando l'anodo metallico semiliquido con un elettrolita ceramico solido a base di granato, sono stati in grado di ciclare la cella con una densità di corrente 10 volte più alta rispetto alle celle con un elettrolita solido e un tradizionale anodo a lamina di litio. Anche questa cella ha avuto una durata del ciclo molto più lunga rispetto alle celle tradizionali.

Il dottor Jay Whitacre asserisce: "Questo nuovo percorso di elaborazione porta ad un anodo batteria a base di litio metallico che è scorrevole e ha sicurezza e prestazioni molto accattivanti rispetto al normale metallo al litio. L'implementazione di un nuovo materiale come questo potrebbe portare a un cambio evolutivo nelle batterie ricaricabili a base di litio e siamo lavorando sodo per verificare come funziona in una gamma di architetture di batterie."

I ricercatori ritengono che il loro metodo potrebbe avere impatti di vasta portata. Ad esempio, potrebbe essere utilizzato per creare batterie ad alta capacità per veicoli elettrici e batterie speciali da utilizzare in dispositivi indossabili che richiedono batterie flessibili. Credono anche che i loro metodi potrebbero essere estesi oltre il litio ad altri sistemi di batterie ricaricabili, comprese le batterie di sodio e metallo e le batterie di metallo potassio e potrebbero essere in grado di essere utilizzati in accumulo di energia su scala di griglia.

Questa ricerca è stata finanziata dal National Institutes of Health (021533) e dalla National Science Foundation (1501324). Altri autori di studio includono i dottori: Julia Cuthbert e Tong Liu del Dipartimento di Chimica di Carnegie Mellon.

Riferimenti:

(1) A Semiliquid Lithium Metal Anode

(2) Krzysztof Matyjaszewski

(3) Sipei Li

(4) Jay Whitacre

Descrizione foto:I ricercatori di Carnegie Mellon hanno sviluppato una matrice composita polimero / carbonio a doppia conduttività con microparticelle di litio che potrebbero essere utilizzate come elettrodo nelle batterie di prossima generazione. - credit: Carnegie Mellon University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Carnegie Mellon researchers develop semi-liquid metal anode for next-generation batteries