Dal 2012, Stefan Freunberger dell'Istituto di chimica e tecnologia dei materiali della TU Graz ha lavorato allo sviluppo di una nuova generazione di batterie con prestazioni migliorate e vita utile più lunga, e che sono anche più economici da produrre rispetto ai modelli attuali. Crede che le batterie al litio-ossigeno abbiano un potenziale significativo. Nel 2017, nel corso del suo lavoro, Freunberger ha scoperto parallelismi tra l'invecchiamento cellulare negli organismi viventi e nelle batterie. In entrambi i casi, l'ossigeno singoletto altamente reattivo è responsabile del processo di invecchiamento. Questa forma di ossigeno, che è stato al centro della ricerca di Freunberger negli ultimi anni, viene prodotto quando le batterie al litio-ossigeno vengono caricate o scaricate. Il ricercatore di Graz ha ora trovato il modo per ridurre al minimo gli effetti negativi dell'ossigeno singoletto, e le sue scoperte sono state pubblicate su riviste rinomate Comunicazioni sulla natura e Angewandte Chemie .

Mediatori redox stabili la chiave per l'efficienza energetica

Nella sua carta in Comunicazioni sulla natura , Freunberger descrive l'effetto dell'ossigeno singoletto sui cosiddetti mediatori redox, che può essere reversibilmente ridotto o ossidato. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con ricercatori della Corea del Sud e degli Stati Uniti. I mediatori redox svolgono un ruolo fondamentale nel flusso di elettroni tra il circuito esterno e il materiale di accumulo di carica nelle batterie ad ossigeno, e hanno anche un notevole impatto sulle loro prestazioni. Il principio alla base dei mediatori è preso in prestito dalla natura, dove sono responsabili di una serie di funzioni diverse nelle cellule viventi, compresa la trasmissione di impulsi nervosi e la produzione di energia. "Finora si presumeva che i mediatori redox fossero disattivati ​​da superossidi e perossidi. Ma i nostri esperimenti hanno dimostrato che ciò è dovuto all'azione dell'ossigeno singoletto, " ha affermato Freunberger. I ricercatori hanno utilizzato calcoli della teoria del funzionale della densità per dimostrare perché alcune classi di mediatori sono più resistenti all'ossigeno singoletto rispetto ad altre. Hanno anche identificato le sue più probabili vie di attacco. Queste intuizioni stanno portando avanti lo sviluppo di nuovi, mediatori redox più stabili. "Più stabili sono i mediatori, il più efficiente, reversibili e di lunga durata le batterie diventano, "Spiega Freunberger.

DABCOnium fornisce una protezione efficace contro l'ossigeno singoletto

Oltre a disattivare i mediatori redox, l'ossigeno singoletto innesca anche reazioni parassitarie, che compromettono la durata della batteria e la ricaricabilità. Così, Freunberger ha cercato di identificare un quencher adatto che trasforma l'ossigeno singoletto prodotto in ossigeno tripletta innocuo, che avviene nell'aria – la biologia lo ha indicato nella giusta direzione. "Un enzima chiamato superossido dismutasi blocca la formazione di ossigeno singoletto nelle cellule viventi. Al suo posto, Ho usato DABCOnium - che è un sale del composto organico azotato DABCO - nei miei esperimenti." DABCOnium è un additivo elettrolitico che è molto più resistente all'ossidazione rispetto ai quencher precedentemente identificati, ed è compatibile con un anodo di litio-metallo. In questo modo, per la prima volta Freunberger creò le condizioni per caricare le celle di ossigeno al litio che erano in gran parte prive di reazioni collaterali - in altre parole, senza reazioni parassitarie. Però, come ha dimostrato Freunberger lo scorso anno, l'ossigeno singoletto causa problemi anche alle batterie agli ioni di litio di ultima generazione, così come nelle batterie di ossigeno. Ciò significa che i quencher sono significativi anche per i primi. Freunberger ha pubblicato i dettagli di questo quencher di ossigeno singoletto sulla rivista Angewandte Chemie .

Caso ideale:mediatore combinato e quencher

Il prossimo passo nella ricerca di Freunberger comporterà la fusione delle sue scoperte e lo sviluppo di una nuova classe di mediatori. Questi dovrebbero essere particolarmente resistenti all'attacco dell'ossigeno singoletto e anche combatterlo efficacemente svolgendo una funzione di spegnimento. Ciò prolungherebbe notevolmente la durata delle batterie al litio-ossigeno e massimizzerebbe l'efficienza energetica.