Le batterie al litio-aria sono destinate a diventare il prossimo rivoluzionario sostituto delle batterie agli ioni di litio attualmente in uso che alimentano i veicoli elettrici, cellulari e computer.

batterie al litio-aria, che attualmente sono ancora in fase sperimentale di sviluppo, può immagazzinare 10 volte più energia delle batterie agli ioni di litio, e sono molto più leggeri. Detto ciò, le batterie al litio-aria potrebbero essere ancora più efficienti e fornire più carica con l'incorporazione di catalizzatori avanzati realizzati con materiali bidimensionali. I catalizzatori aiutano ad aumentare la velocità delle reazioni chimiche all'interno delle batterie, e a seconda del tipo di materiale di cui è fatto il catalizzatore, possono aiutare ad aumentare significativamente la capacità della batteria di trattenere e fornire energia.

"Avremo bisogno di batterie ad altissima densità di energia per alimentare nuove tecnologie avanzate incorporate nei telefoni, computer portatili e soprattutto veicoli elettrici, " disse Amin Salehi-Khojin, professore associato di ingegneria meccanica e industriale presso il College of Engineering dell'UIC. Salehi-Khojin e i suoi colleghi hanno sintetizzato diversi materiali 2-D che possono fungere da catalizzatori. Alcuni dei loro materiali 2-D, quando incorporato in batterie sperimentali al litio-aria come catalizzatore, ha permesso alla batteria di contenere fino a 10 volte più energia rispetto alle batterie litio-aria contenenti catalizzatori tradizionali. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Materiale avanzato .

"Attualmente, i veicoli elettrici hanno una media di circa 100 miglia per carica, ma con l'incorporazione di catalizzatori 2-D nelle batterie litio-aria, potremmo fornire più di 400 a 500 miglia per carica, che sarebbe un vero punto di svolta, " disse Salehi-Khojin, che è anche l'autore corrispondente dell'articolo. "Questo sarebbe un enorme passo avanti nello stoccaggio di energia".

Salehi-Khojin e i suoi colleghi hanno sintetizzato 15 diversi tipi di dicalcogenuri di metalli di transizione 2-D o TMDC. I TMDC sono composti unici perché hanno un'elevata conduttività elettronica e un rapido trasferimento di elettroni che possono essere utilizzati per partecipare a reazioni con altri materiali, come le reazioni che avvengono all'interno delle batterie durante la carica e la scarica.

I ricercatori hanno studiato sperimentalmente le prestazioni di 15 TMDC come catalizzatori in un sistema elettrochimico che imita una batteria al litio-aria.

"Nella loro forma 2-D, questi TMDC hanno proprietà elettroniche molto migliori e una maggiore superficie reattiva per partecipare alle reazioni elettrochimiche all'interno di una batteria mentre la loro struttura rimane stabile, " ha spiegato Leily Majidi, uno studente laureato presso l'UIC College of Engineering e primo autore del documento.

"Le velocità di reazione sono molto più elevate con questi materiali rispetto ai catalizzatori convenzionali utilizzati come oro o platino, " disse Majidi.

Uno dei motivi per cui i TDMC 2-D si sono comportati così bene è perché aiutano ad accelerare le reazioni di carica e scarica che si verificano nelle batterie litio-aria.

"Questo sarebbe ciò che è noto come bifunzionalità del catalizzatore, "Ha detto Salehi-Khojin.

I materiali 2-D si sinergizzano anche con l'elettrolita, il materiale attraverso il quale gli ioni si muovono durante la carica e la scarica.

"I TDMC 2-D e l'elettrolita liquido ionico che abbiamo usato agiscono come un sistema co-catalizzatore che aiuta gli elettroni a trasferirsi più velocemente, portando a cariche più rapide e uno stoccaggio e uno scarico più efficienti dell'energia."

"Questi nuovi materiali rappresentano una nuova strada che può portare le batterie al livello successivo, abbiamo solo bisogno di sviluppare modi per produrli e metterli a punto in modo più efficiente e su scala più ampia, "Ha detto Salehi-Khojin.