I ricercatori stanno facendo progressi nello sviluppo di batterie ricaricabili a base di potassio, una potenziale alternativa al litio che è meno costosa e molto più abbondante, e hanno anche mostrato come ricavare carbonio per gli elettrodi della batteria da vecchi pneumatici.

"Con la crescita delle batterie ricaricabili per dispositivi elettronici, veicoli elettrici e applicazioni di rete elettrica, c'è stata una crescente preoccupazione per la sostenibilità e il costo del litio, " ha detto Vilas G. Pol, professore associato presso la Davidson School of Chemical Engineering della Purdue University. "Nell'ultima decade, ci sono stati rapidi progressi nello studio delle batterie agli ioni metallici oltre al litio, come sodio e potassio."

A causa della sua maggiore abbondanza e del minor costo, il potassio mostra la promessa per lo stoccaggio di elettricità su larga scala sulla rete elettrica.

"L'energia intermittente generata da solare ed eolico richiede nuovi sistemi di accumulo di energia per la rete, " Pol ha detto. "Tuttavia, la limitata disponibilità globale di risorse di litio e l'alto costo di estrazione ostacolano l'applicazione di batterie agli ioni di litio per lo stoccaggio di energia su larga scala. Ciò richiede dispositivi di accumulo di energia alternativa basati su elementi abbondanti sulla terra".

Il potassio è circa otto volte più abbondante del litio e costa un decimo, Egli ha detto.

Questo mese sono stati pubblicati tre documenti di ricerca sul lavoro sulle batterie agli ioni di potassio, in collaborazione con l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e la National Cheng Kung University di Taiwan.

"Abbiamo avviato questo programma quasi un anno fa, e non ci sono molti gruppi al mondo che lavorano sulle batterie agli ioni di potassio, " ha detto Pol.

I tre articoli sono stati pubblicati in Materiali e interfacce applicati ACS , Comunicazioni chimiche e il Giornale della Società Elettrochimica .

In un documento, i ricercatori descrivono un nuovo design che utilizza nanofibre di carbonio come anodo. Le batterie hanno due elettrodi, chiamato anodo e catodo. Gli anodi nella maggior parte delle batterie agli ioni di litio di oggi sono fatti di grafite. Gli ioni di litio sono contenuti in un liquido chiamato elettrolita, e questi ioni sono immagazzinati nell'anodo durante la ricarica.

Nuove scoperte hanno mostrato che le batterie con anodi in nanofibre di carbonio sono promettenti. Il documento è disponibile presso DOI:10.1021/acsami.7b02476.

"Le nanofibre di carbonio dimostrano un grande potenziale come materiale anodico per batterie agli ioni di potassio, " Pol ha detto. "Abbiamo studiato batterie per un massimo di 1, 900 cicli di carica-scarica, il che è piuttosto notevole."

Le nanofibre di carbonio sono state create con un processo chiamato elettrofilatura, dove l'alta tensione viene utilizzata per tirare una soluzione polimerica carica tra due elettrodi, e le fibre polimeriche vengono poi trasformate in fibre di carbonio.

Le batterie hanno mostrato "capacità ragionevole" dopo essere state caricate per soli sei minuti, avente una capacità di 110 milliampere ora per grammo, un terzo della capacità raggiunta dopo 10 ore di ricarica convenzionale della batteria agli ioni di litio, Egli ha detto.

"Generalmente, avresti una capacità molto limitata dopo soli sei minuti perché non è abbastanza tempo per caricare una batteria convenzionale, " ha detto Pol. "Tuttavia, le nanofibre di carbonio consentono di caricare la batteria molto più velocemente perché gli ioni devono percorrere solo una distanza molto breve. La tipica batteria del cellulare contiene particelle con un diametro di 15-20 micrometri, che è una distanza molto maggiore di questa architettura simile a una fibra, ed è per questo che ci vogliono dalle due alle tre ore per caricare il telefono."

Il design elimina la necessità di un "legante, " o un gel polimerico per tenere in posizione la polvere di grafite. Una rete di nanofibre trattiene invece le particelle di potassio, un approccio che potrebbe ridurre il peso della batteria.

Le nanofibre sono state "funzionalizzate con ossigeno, "significa che le molecole di ossigeno sono attaccate alla loro superficie, riducendo l'ulteriore corrosione dell'elettrolita acido. Sono stati inoltre funzionalizzati con molecole di azoto per aumentare la conduttività elettrica.

In un secondo documento, strutture lastriformi di ceramica, materiali elettricamente conduttivi chiamati MXenes sono stati utilizzati per creare un nuovo tipo di batteria agli ioni di potassio.

Durante il processo di ricarica, si dice che gli ioni intercalano, il che significa che sono costretti dalla corrente elettrica a spostarsi tra gli strati dell'anodo di carbonio, costruire una carica. Poiché il potassio ha un diametro atomico maggiore del litio, è più difficile che si intercali.

Però, MXenes può consentire ai ricercatori di aggirare questo ostacolo. I ricercatori sono i primi a riportare i risultati sulle prestazioni di strutture di elettrodi simili a piastre realizzate con un MXene chiamato carbonitruro di titanio.

"Di solito le ceramiche non sono elettrochimicamente attive, ma MXenes sono perché hai una struttura simile a un mattone, e gli ioni possono essere inseriti tra questi mattoni durante la carica, " ha detto Pol. "Abbiamo dimostrato che il potassio si carica e si scarica in modo efficace se si regola la morfologia e la struttura del materiale".

L'uso del potassio potrebbe anche portare a batterie meno costose sostituendo il rame con l'alluminio come "raccoglitore di corrente" per gli anodi. Le batterie agli ioni di litio richiedono rame per lo scopo, mentre l'alluminio può essere utilizzato invece nelle batterie agli ioni di potassio.

In un terzo documento, il carbonio è stato ricavato da pneumatici di scarto per creare anodi di carbonio per una batteria agli ioni di potassio. I pneumatici sono stati ridotti a una forma di carbonio chiamata carbonio duro attraverso un processo di trattamento chimico seguito da una procedura chiamata pirolisi. Il documento è disponibile presso DOI:10.1149/2.1391706jes.

"Il riciclaggio della gomma di scarto è di fondamentale importanza poiché i pneumatici scartati rappresentano gravi rischi per l'ambiente e la salute della nostra società, " disse Pol. "Ecco, segnaliamo una nuova applicazione per materiali a carbonio duro derivati ​​da pneumatici di scarto come anodi nelle batterie agli ioni di potassio."

Nel carbonio duro, gli strati di carbonio sono disposti casualmente, e questa disposizione disordinata facilita l'intercalazione degli ioni potassio.

"Questo studio dimostra come l'ingegneria dei materiali del carbonio possa affrontare alcuni dei problemi derivanti dall'intercalazione più ingombrante di ioni di potassio, e può portare possibili strategie per migliorare le prestazioni di queste batterie in futuro, " Egli ha detto.

Lo studente laureato in ingegneria chimica della Purdue Ryan A. Adams ha condotto gran parte della ricerca. La sua ricerca è co-diretta da Vilas Pol e Arvind Varma, R. Games Slayter Distinguished Professor di Ingegneria Chimica. Un elenco completo dei coautori degli articoli è disponibile negli abstract.