I ricercatori dell'Università del Maryland (UMD) e dell'US Army Research Lab (ARL) hanno compiuto un passo fondamentale nel percorso verso le batterie ad alta energia migliorando la loro batteria acqua-in-sale con un nuovo tipo di trasformazione chimica del catodo che crea uno strato di sale solido reversibile, un fenomeno ancora sconosciuto nel campo delle batterie ad acqua.

Basandosi sulle loro precedenti scoperte sugli elettroliti acqua-in-sale riportati in Scienza nel 2015, i ricercatori hanno aggiunto un nuovo catodo. Questo nuovo materiale catodico, privo di metallo di transizione, funziona a un potenziale medio di 4,2 volt con un'eccellente stabilità di ciclo, e offre una densità di energia senza precedenti comparabile, o forse superiore a, batterie agli ioni di litio non acquose. Gli autori riportano il loro lavoro il 9 maggio sulla rivista Natura .

"La ricerca dell'Università del Maryland e dell'ARL ha prodotto la chimica delle batterie più creativa che abbia mai visto in almeno 10 anni, " ha affermato il Prof. Jeffrey Dahn della Dalhousie University in Canada, un esperto del settore non affiliato alla ricerca. "Però, resta da vedere se è possibile creare un dispositivo pratico con una lunga durata."

Sfruttando l'intercalazione degli alogeni reversibili nelle strutture di grafite, consentito da un elettrolita acquoso superconcentrato, il team ha generato una densità di energia precedentemente ritenuta impossibile. I ricercatori hanno scoperto che la soluzione superconcentrata della batteria acqua in sale, combinato con la capacità dell'anodo di grafite di costruire e riformare automaticamente uno strato protettivo all'interno della batteria, ha fornito una batteria stabile e di lunga durata ad alta energia.

"Questa nuova chimica del catodo sembra funzionare idealmente nel nostro elettrolita acquoso 'acqua-in-sale' precedentemente sviluppato, che lo rende ancora più unico:combina l'elevata densità di energia dei sistemi non acquosi con l'elevata sicurezza dei sistemi acquosi, " ha detto un co-primo autore del documento, Chongyin Yang, un assistente ricercatore nel dipartimento UMD di ingegneria chimica e biomolecolare.

"Questa nuova chimica di 'Conversione-Intercalazione' eredita l'elevata energia della reazione di conversione e l'eccellente reversibilità dall'intercalazione della grafite, " disse Ji Chen, co-primo autore dell'articolo e ricercatore associato nel dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare.

Il team di ricercatori, guidato da Chunsheng Wang, Professore ChBE con doppio incarico presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica; Kang Xu, borsista dell'ARL; e Oleg Borodin, Scienziato ARL:hanno portato la batteria a uno stadio verificabile:le dimensioni di un piccolo pulsante, tipicamente utilizzato come veicolo di prova nei laboratori di ricerca. Sono necessarie ulteriori ricerche per ridimensionarlo in un pratico, batteria fabbricabile.

La produzione di energia della batteria a base d'acqua riportata in questo studio vanta una densità energetica aumentata del 25% rispetto a una normale batteria per telefono cellulare basata su liquidi organici infiammabili, ma è molto più sicuro. Il nuovo catodo è in grado di contenere 240 milliampere per grammo per un'ora di funzionamento, circa il doppio di quello di un tipico catodo attualmente presente nei telefoni cellulari e nei laptop.

La batteria acqua-sale potrebbe infine essere utilizzata in applicazioni che comportano grandi energie a livelli di kilowatt o megawatt, o dove la sicurezza e la tossicità della batteria sono preoccupazioni primarie, comprese le batterie non infiammabili per aeroplani, navi da guerra, o astronavi.