Man mano che l'energia rinnovabile cresce come fonte di energia in tutto il mondo, una componente chiave sfugge ancora al settore:su larga scala, stabile, batterie efficienti e convenienti.

Le batterie agli ioni di litio si sono dimostrate efficaci per l'elettronica di consumo, ma veicoli elettrici, le turbine eoliche o le reti intelligenti richiedono batterie con una capacità energetica molto maggiore. Uno dei principali contendenti è la batteria al litio-metallo, che differisce dalla tecnologia agli ioni di litio in quanto contiene elettrodi metallici al litio.

Concepito per la prima volta nel 1912, le batterie al litio-metallo hanno il potenziale per enormi quantità di accumulo di energia a basso costo, ma soffrono di un difetto fatale:i dendriti - aghi appuntiti fatti di grumi di atomi di litio che possono far surriscaldare le batterie e occasionalmente andare in cortocircuito e prendere fuoco.

Però, la promessa della tecnologia ha spinto i ricercatori e le aziende a lavorare sui modi per superare questo problema.

"Le batterie al litio metallico sono fondamentalmente le batterie dei sogni poiché forniscono una densità di energia estremamente elevata, " disse Reza Shahbazian-Yassar, professore associato di ingegneria meccanica e industriale presso l'Università dell'Illinois a Chicago (UIC). "Però, non siamo stati in grado di costruire batterie al litio-metallo commercialmente valide con elettroliti liquidi organici a causa della placcatura in metallo al litio eterogenea che porta a dendriti in caso di cicli prolungati della batteria".

Recentemente, squadre di ricercatori, tra cui Shahbazian-Yassar all'UIC e Perla Balbuena alla Texas A&M University, si sono avvicinati di poco alla ricerca di una soluzione, in parte applicando la potenza dei supercomputer per comprendere la chimica e la fisica di base all'opera nella formazione dei dendriti e per progettare nuovi materiali in grado di mitigare la crescita dei dendriti.

Scrivendo in Materiali funzionali avanzati nel febbraio 2018, i ricercatori hanno presentato i risultati degli studi su un nuovo materiale che potrebbe risolvere l'annoso problema dei dendriti.

"L'idea era di sviluppare un materiale di rivestimento in grado di proteggere il metallo di litio e rendere la deposizione ionica molto più liscia, " disse Balbuena, professore di ingegneria chimica presso il Texas A&M e coautore del documento.

Le indagini si sono basate sui supercomputer Stampede e Lonestar del Texas Advanced Computing Center (TACC), tra i più potenti al mondo.

ION PACHINKO

Nella carta, i ricercatori hanno descritto un nanofoglio di ossido di grafene che può essere spruzzato su un separatore in fibra di vetro che viene poi inserito nella batteria. Il materiale consente il passaggio degli ioni di litio, ma rallenta e controlla come gli ioni si combinano con gli elettroni dalla superficie per diventare atomi neutri. Invece di formare aghi, gli atomi depositati si formano lisci, superfici piane nella parte inferiore del foglio.

I ricercatori hanno utilizzato modelli e simulazioni al computer in tandem con esperimenti fisici e immagini microscopiche per rivelare come e perché il materiale controlla efficacemente la deposizione di litio. Hanno dimostrato che gli ioni di litio formano un film sottile sulla superficie dell'ossido di grafene e poi si diffondono attraverso i siti di difetto, essenzialmente spazi vuoti negli strati del materiale, prima di depositarsi sotto lo strato inferiore dell'ossido di grafene. Il materiale si comporta come i pioli in un gioco di pachinko, rallentando e dirigendo le sfere metalliche mentre cadono.

"Il nostro contributo è stato condurre simulazioni di dinamica molecolare in cui seguiamo la traiettoria degli elettroni e degli atomi nel tempo e osserviamo cosa sta succedendo a livello atomistico, Balbuena ha detto. "Eravamo interessati a chiarire come gli ioni di litio si stavano diffondendo attraverso il sistema e diventando atomi quando la deposizione termina con la placcatura di litio".

Le batterie drogate con ossido di grafene mostrano una maggiore durata del ciclo e mostrano stabilità fino a 160 cicli, mentre una batteria non modificata perde rapidamente la sua efficienza dopo 120 cicli. L'ossido può essere applicato in modo semplice ed economico con una pistola per verniciatura a spruzzo.

Il modo in cui lo spray viene stratificato sui nanofogli è stato un altro punto focale della ricerca. "Quando fai l'esperimento, non è chiaro a livello microscopico dove si posizionerà il rivestimento, " disse Balbuena. "È molto sottile, quindi localizzare questi rivestimenti con precisione non è banale."

Il loro modello al computer ha esplorato se sarebbe stato più favorevole se l'ossido fosse orientato parallelamente o perpendicolarmente al collettore di corrente. Entrambi possono essere efficaci, hanno trovato, ma se depositati in parallelo, il materiale richiede un certo numero di difetti affinché gli ioni possano passare attraverso.

"Le simulazioni hanno fornito ai nostri collaboratori idee sul meccanismo di trasferimento ionico attraverso il rivestimento, " ha detto Balbuena. "È possibile che alcune delle direzioni future possano comportare diversi spessori o composizione chimica in base al fenomeno che abbiamo osservato".

ESPLORAZIONE DI MATERIALI CATODICI ALTERNATIVI

In una ricerca separata, pubblicato in ChemSusChem nel febbraio 2018, Balbuena e lo studente laureato Saul Perez Beltran hanno descritto un design della batteria che utilizza fogli di grafene per migliorare le prestazioni dei catodi carbonio-zolfo per le batterie litio-zolfo, un altro potenziale sistema di storage ad alta capacità.

Oltre alla naturale abbondanza di zolfo, atossicità e basso costo, un catodo a base di zolfo è teoricamente in grado di fornire uno stoccaggio fino a 10 volte maggiore rispetto ai catodi di ossido di litio-cobalto comunemente usati nelle batterie convenzionali agli ioni di litio.

Però, reazioni chimiche nella batteria portano alla formazione di polisolfuri di litio, composti chimici contenenti catene di atomi di zolfo. I polisolfuri a catena lunga sono solubili nell'elettrolita liquido e migrano nell'anodo di litio metallico dove si decompongono, un effetto indesiderato. D'altra parte, i polisolfuri a catena corta sono insolubili e rimangono al catodo a base di zolfo. I ricercatori hanno studiato come la microstruttura del catodo può influenzare questa chimica.

Hanno affrontato il problema della formazione incontrollata di polisolfuri creando un materiale composito zolfo/grafene che evita la formazione dei polisolfuri solubili a catena lunga. Hanno scoperto che i fogli di grafene conferiscono stabilità al catodo e migliorano le sue capacità di intrappolamento ionico.

La ricerca di Balbuena è supportata dal Dipartimento dell'Energia nell'ambito dei programmi Battery Materials Research e Battery 500 Seedling, entrambi mirano a creare più piccoli, più sicuro, batterie più leggere e meno costose per rendere i veicoli elettrici più convenienti.

Stampede e il suo seguito Stampede2 sono supportati da sovvenzioni della National Science Foundation e consentono a decine di migliaia di ricercatori di tutta la nazione di esplorare problemi che altrimenti non potremmo affrontare.

"Questi sono calcoli molto estesi, ecco perché abbiamo bisogno di computer ad alte prestazioni, " Balbuena ha detto. "Siamo grandi utilizzatori delle risorse TACC e siamo molto grati all'Università del Texas per averci permesso di utilizzare queste strutture".

Per Balbuena, La ricerca fondamentale alimentata da supercomputer sulle batterie di nuova generazione è una perfetta sintesi dei suoi interessi.

"La ricerca è una combinazione di chimica, fisica e ingegneria, tutto abilitato dall'informatica, questo microscopio teorico che può visualizzare le cose attraverso la teoria."