I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Chicago e dell'Argonne National Laboratory hanno progettato una nuova batteria al litio-aria che funziona in un ambiente naturale e funziona ancora dopo 750 cicli di carica/scarica da record. I loro risultati sono riportati nella rivista Natura .

"Il design della nostra batteria al litio-aria rappresenta una rivoluzione nella comunità delle batterie, " disse Amin Salehi-Khojin, assistente professore di ingegneria meccanica e industriale e coautore dell'articolo. "Questa prima dimostrazione di una vera batteria al litio-aria è un passo importante verso ciò che chiamiamo batterie 'oltre gli ioni di litio', ma abbiamo più lavoro da fare per commercializzarlo".

Le batterie al litio-aria, ritenute in grado di contenere fino a cinque volte più energia delle batterie agli ioni di litio che alimentano i nostri telefoni, laptop e veicoli elettrici:sono anni che allettano i ricercatori delle batterie. Ma diversi ostacoli hanno afflitto il loro sviluppo.

Le batterie funzionerebbero combinando il litio presente nell'anodo con l'ossigeno dell'aria per produrre perossido di litio sul catodo durante la fase di scarica. Il perossido di litio verrebbe scomposto nei suoi componenti di litio e ossigeno durante la fase di carica.

Sfortunatamente, i progetti sperimentali di tali batterie al litio-aria non sono stati in grado di funzionare in un vero ambiente di aria naturale a causa dell'ossidazione dell'anodo di litio e della produzione di sottoprodotti indesiderati sul catodo che risultano dalla combinazione di ioni di litio con anidride carbonica e vapore acqueo nel aria. Questi sottoprodotti intaccano il catodo, che alla fine diventa completamente rivestito e incapace di funzionare. Queste batterie sperimentali hanno fatto affidamento su serbatoi di ossigeno puro, il che limita la loro praticità e pone gravi rischi per la sicurezza a causa dell'infiammabilità dell'ossigeno.

"Alcuni altri hanno provato a costruire celle di batterie al litio-aria, ma hanno fallito a causa del ciclo di vita scadente, " disse Larry Curtiss, co-autore principale e Argonne Distinguished Fellow.

Il team di ricerca UIC-Argonne ha superato queste sfide utilizzando una combinazione unica di anodo, catodo ed elettrolita, i tre componenti principali di qualsiasi batteria, per prevenire l'ossidazione dell'anodo e l'accumulo di sottoprodotti che uccidono la batteria sul catodo e consentire alla batteria di funzionare in un ambiente con aria naturale.

Hanno rivestito l'anodo di litio con un sottile strato di carbonato di litio che consente selettivamente agli ioni di litio dell'anodo di entrare nell'elettrolita impedendo ai composti indesiderati di raggiungere l'anodo.

In una batteria al litio-aria, il catodo è semplicemente dove l'aria entra nella batteria. Nei progetti sperimentali di batterie al litio-aria, ossigeno, insieme a tutti gli altri gas che compongono l'aria, entra nell'elettrolita attraverso una struttura reticolare spugnosa a base di carbonio.

Salehi-Khojin e i suoi colleghi hanno rivestito la struttura reticolare con un catalizzatore a base di disolfato di molibdeno e hanno utilizzato un elettrolita ibrido unico fatto di liquido ionico e dimetilsolfossido, un componente comune degli elettroliti delle batterie, che ha contribuito a facilitare le reazioni litio-ossigeno, ridurre al minimo le reazioni del litio con altri elementi nell'aria e aumentare l'efficienza della batteria.

"La revisione architettonica completa che abbiamo eseguito su questa batteria ridisegnandola in ogni sua parte, ci ha aiutato a consentire le reazioni che volevamo che si verificassero e a prevenire o bloccare quelle che alla fine avrebbero causato l'esaurimento della batteria, ", ha detto Salehi-Khojin.

Il team UIC ha costruito, testato, analizzato e caratterizzato le celle della batteria. Il gruppo delle Argonne, insieme ai colleghi dell'UIC e della California State University, effettuato le analisi computazionali.