Con l'aumento dell'uso di batterie ricaricabili per alimentare la tecnologia moderna, in particolare veicoli elettrici, i ricercatori hanno cercato materiali alternativi per gli ioni di litio nelle batterie ricaricabili.

Le batterie moderne utilizzano litio e cobalto, ma questi hanno una fornitura molto limitata.

Gli scienziati dei materiali della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis hanno trovato una potenziale alternativa al litio nel fluoro, un elemento relativamente abbondante e leggero. La loro ricerca è stata stampata il 7 dicembre nel Journal of Materials Chemistry .

interessante, lo ione fluoruro è l'opposto speculare dello ione litio, avendo la più forte attrazione per gli elettroni, che gli permette di effettuare facilmente reazioni elettrochimiche. I ricercatori in Giappone stanno anche testando batterie agli ioni di fluoro come possibili sostituti delle batterie agli ioni di litio nei veicoli. Dicono che queste batterie potrebbero consentire ai veicoli elettrici di funzionare 1, 000 chilometri (621 miglia) con una singola carica. Però, le attuali batterie agli ioni di fluoro hanno una scarsa ciclabilità, ovvero tendono a degradarsi rapidamente con i cicli di carica-scarica.

I ricercatori Steven Hartman e Rohan Mishra hanno adottato un nuovo approccio alla progettazione delle batterie agli ioni di fluoro, identificare due materiali che acquisiscono o perdono facilmente ioni fluoruro mentre subiscono piccole modifiche strutturali per consentire una buona ciclabilità. Mishra, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, ha detto che i nuovi materiali della batteria sono entrambi elettruri a strati.

Gli elettruri sono una classe di materiali relativamente nuova conosciuta in linea di principio da circa 50 anni, ma è stato solo negli ultimi 10-15 anni che le loro proprietà sono state comprese meglio, disse Mishra. Mentre questi materiali conducono gli elettroni come i metalli ordinari, a differenza del "mare di elettroni" nei metalli in cui gli elettroni sono delocalizzati in tutto il cristallo, negli elettruri, gli elettroni risiedono in specifici siti interstiziali all'interno della struttura cristallina, simile a uno ione.

"Prevediamo che questi elettroni interstiziali possono essere facilmente sostituiti con ioni fluoruro senza deformazioni significative della struttura cristallina, consentendo così la ciclabilità, " Ha detto Mishra. "Gli ioni fluoruro possono anche muoversi o diffondersi abbastanza facilmente a causa della struttura relativamente aperta degli elettruri a strati".

Hartman, un alunno dell'Institute of Materials Science &Engineering che ha conseguito un dottorato nel laboratorio di Mishra prima di accettare una borsa di studio post-dottorato presso il Los Alamos National Laboratory, ha utilizzato calcoli quantomeccanici per testare dozzine di potenziali candidati alla batteria.

I test computerizzati hanno introdotto il fluoro negli spazi interstiziali degli elettruri stratificati di nitruro dicalcico e di ipocarburo di ittrio. Le capacità di accumulo di energia erano vicine alle prestazioni delle batterie agli ioni di litio. Nel caso del nitruro di calcio, è costituito da elementi relativamente abbondanti e può aiutare a superare la carenza di approvvigionamento di elementi attualmente utilizzati nelle batterie agli ioni di litio.

Hartman ha messo a confronto lo studio della batteria con alcuni degli altri lavori del gruppo Mishra, che utilizza tecniche di "big data" di apprendimento automatico per vagliare migliaia di candidati.

"Ci sono voluti più intuizione e tentativi ed errori rispetto ad altri studi che abbiamo fatto, "Ha detto Hartman. "In linea di principio, puoi aggiungere molti ioni fluoruro agli elettrodi convenzionali per immagazzinare molta carica, ma in pratica queste capacità teoriche sono difficili da gestire. Quando aggiungiamo fluoro agli elettrodi convenzionali, si gonfiano e si restringono drammaticamente mentre si caricano e si scaricano, e ciò può portare a rotture e perdita di contatto elettrico."

Ridurre al minimo questo volume e il cambiamento di forma è essenziale per creare una batteria al fluoro durevole.

"In questi materiali di elettruro a strati, prevediamo che l'aggiunta e la rimozione degli ioni fluoruro causerebbe cambiamenti strutturali significativamente più piccoli, aiutando così a raggiungere una vita ciclistica più lunga, " ha detto Hartman.

Il laboratorio di Mishra sta cercando di collaborare con ricercatori in grado di sintetizzare i promettenti elettruri identificati in questo studio e testarli in batterie prototipo.

McKelvey School of Engineering contiene un gruppo di docenti interdisciplinari che conducono ricerche sulle batterie. Recenti ricerche di Peng Bai, assistente professore di energia, ingegneria ambientale e chimica, ha portato alla capacità di approssimare la soglia di densità di corrente della batteria e di prevedere con precisione il tempo di cortocircuito per qualsiasi particolare densità di corrente.

Giasone lui, professore di energia, ingegneria ambientale e chimica, recently conducted a feasibility study for electrochemical "refilling" of lithium-ion batteries into the spent electrodes to regenerate useful compounds, such as lithium cobalt oxide.