Le batterie usa e getta diventano superbatterie: scoperta delle proprietà inaspettate del litio

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Saveria Marino
Saveria Marino
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Le batterie usa e getta diventano superbatterie: scoperta delle proprietà inaspettate del litio

Le batterie al litio, note anche come batterie al litio metallico e diffuse sotto forma di pile a bottone, sono un prodotto usa e getta con un impatto ambientale discutibile. Ma ora i ricercatori hanno scoperto che una batteria di questo tipo può essere utilizzata anche come batteria riutilizzabile. Tutto quello che devi fare è concedere regolarmente alle batterie un periodo di riposo.

Rispetto alle batterie ricaricabili agli ioni di litio, le batterie al litio presentano un chiaro vantaggio in termini di densità di accumulo: è quasi il doppio di quella delle attuali batterie standard. Una batteria al litio delle dimensioni di quella di un’auto elettrica può fornire un’autonomia di oltre 1.000 chilometri. Dopo questa distanza la batteria deve essere sostituita. In linea di principio, la chimica delle celle delle normali pile a bottone al litio può essere ricaricata, ma perdono la loro capacità così rapidamente che vengono utilizzate principalmente per batterie usa e getta. Ma i ricercatori della Stanford University hanno ora scoperto come cambiare la situazione in un modo sorprendentemente semplice.

Questo trucco aumenta la durata delle batterie al litio

Chiunque guidi un’auto con batteria agli ioni di litio può iniziare a caricarla subito dopo l’uso (=scarica). Tuttavia, con le batterie al litio metallico è necessaria un po’ di pazienza prima di applicare la tensione di carica. Wenbo Zhang, uno studente di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali di Stanford che ha partecipato allo studio, spiega perché ciò accade. “Stavamo cercando il modo più semplice ed economico per migliorare la durata delle batterie al litio metallico”, ha affermato lo scienziato, aggiungendo: “Abbiamo scoperto che far riposare la batteria quando è scarica può ripristinare la capacità persa e aumentarne la durata ottenuto semplicemente riprogrammando il software di gestione delle batterie”, senza richiedere costi aggiuntivi o modifiche ad attrezzature, materiali o processi produttivi.

Ciò rende la batteria al litio ricaricabile

Ma come fa una batteria al litio a diventare un supporto di archiviazione ricaricabile a lungo termine? Per capirlo dobbiamo prima spiegare la differenza tra una batteria agli ioni di litio. Una batteria agli ioni di litio è composta da due elettrodi: un anodo di grafite e un catodo di litio metallico. Entrambi gli elettrodi sono separati da un elettrolita liquido o solido. La sua funzione è trasportare gli ioni di litio avanti e indietro.

La batteria al litio utilizza litio metallico depositato galvanicamente invece di un anodo di grafite, che può immagazzinare molta più energia in rapporto al peso e al volume. La densità energetica di questa tecnologia è doppia rispetto a quella della chimica standard delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, se questa batteria viene scaricata, le particelle metalliche di litio più piccole verranno isolate e rimarranno intrappolate nell’interfase dell’elettrolita solido (SEI). Si forma uno strato che interrompe il flusso di energia e l’immagazzinamento di ioni. “La matrice SEI è essenzialmente un elettrolita decomposto”, ha spiegato Zhang, aggiungendo: “Circonda pezzi isolati di litio metallico che sono stati separati dall’anodo, impedendo loro di partecipare alle reazioni elettrochimiche”. Per questo motivo consideriamo il litio isolato morto.

La gestione della batteria è una svolta?

Se si tenta di caricare una batteria di questo tipo, cosa possibile in linea di principio, la capacità utilizzabile diminuisce rapidamente ad ogni ciclo. Ma i ricercatori hanno trovato una via d’uscita. In studi precedenti, avevano infatti scoperto che la matrice SEI si dissolve lentamente quando la batteria è inattiva. Ora gli scienziati volevano scoprire cosa succede se una batteria al litio rimane scarica per un periodo di tempo più lungo.

“Il primo passo è stato scaricare completamente la batteria in modo che la corrente non la attraversasse”, ha detto Zhang. “La scarica rimuove tutto il litio metallico dall’anodo, lasciando solo pezzi di litio inattivi e isolati circondati dalla matrice SEI”. Il dottorando in chimica Vilavon Sayavong, anch’egli coinvolto nello studio, spiega cosa è successo dopo: abbiamo scoperto che se la batteria rimaneva scarica per solo un’ora, parte della matrice SEI che circondava il litio morto si dissolveva. Quando poi si ricarica la batteria, il litio morto si ricollega all’elettrodo positivo perché c’è meno massa solida sul percorso. Quindi la batteria al litio può essere riportata in vita.

“Finora pensavamo che la perdita di energia fosse irreversibile”, riassume Yi Kui, professore di ricerca sui fotoni e autore principale dello studio. Ma il nostro studio ha dimostrato che possiamo recuperare la capacità perduta semplicemente lasciando riposare una batteria scarica.

Cosa significa questo per la mobilità elettrica? All’inizio non molto, perché non è previsto che i guidatori aspettino ore durante i lunghi viaggi prima che la batteria possa essere nuovamente caricata. Tuttavia, questo problema può essere risolto attraverso un sistema di cambio batteria come quello creato dal produttore cinese Nio in Germania.

Ma ci sono anche idee su come una batteria installata in modo permanente potrebbe funzionare con questa tecnologia: poiché una batteria per auto è composta da diverse centinaia a migliaia di celle, è possibile utilizzare queste celle in blocchi e controllarle in modo che un blocco abbia sempre una pausa periodo. “È possibile implementare il nostro protocollo con la stessa rapidità necessaria per scrivere il codice di gestione della batteria”, ha affermato Cui, aggiungendo: “Crediamo che per alcuni tipi di batterie al litio metallico, un solo periodo di riposo di scarica” ​​possa prolungare significativamente la durata della vita. di cellule.”

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