Il design della batteria si concentrerà sull'elettrodo dell'ossigeno (~1,2 cm di diametro e 0,4 mm di spessore). Attestazione:Xianglin Li
Stanco di dover collegare il telefono ogni notte? L'aiuto potrebbe essere in arrivo.
Una nuova ricerca presso l'Università del Kansas potrebbe fornire batterie più durature per la maggior parte dell'elettronica di consumo e dei veicoli elettronici nei prossimi anni.
Oggi, la maggior parte degli americani possiede dispositivi elettronici alimentati da batterie ricaricabili agli ioni di litio e alcuni guidano auto alimentate dalla tecnologia delle batterie agli ioni di litio. Ma le batterie agli ioni di litio hanno degli svantaggi, come la necessità di una ricarica regolare.
"Tutti vogliono avere batterie migliori per i telefoni, elettronica e auto, " disse Xianglin Li, professore assistente di ingegneria meccanica. "L'attuale batteria agli ioni di litio, che si usa ovunque, non ha una densità di energia sufficiente:devi caricare il telefono ogni giorno."
Recentemente, Li ha guadagnato un nuovo $219, 312, sovvenzione di due anni dalla National Science Foundation per promuovere batterie all'avanguardia al litio-ossigeno. Ha detto che le batterie al litio-ossigeno rappresentano la piattaforma di batterie più promettente per prendere il posto degli ioni di litio.
"La ricerca che stiamo facendo sulla batteria al litio-ossigeno rappresenta la prossima generazione di accumulo di energia, " ha detto. "In teoria, ha una capacità di archiviazione di circa un ordine di grandezza superiore rispetto agli ioni di litio. Così, se passerai a questo in futuro, dovrai caricare il telefono solo una volta alla settimana. Esistono tecnologie concorrenti come le batterie zinco-aria o litio-zolfo, ma l'ossigeno-litio è chiaramente quello con la capacità più alta, quindi ha un grande vantaggio."
Mentre le batterie al litio-ossigeno promettono una capacità di accumulo di energia molto maggiore, il loro difetto è l'incapacità di scaricare energia velocemente come le batterie agli ioni di litio. Fino a quando questo inconveniente non sarà superato, la tecnologia delle batterie al litio-ossigeno rimarrà nella fase di ricerca di laboratorio, secondo l'investigatore KU.
"Il problema è che l'ossigeno al litio ha una bassa densità di corrente:dura a lungo, ma non hai molto potere, " disse Li. "Se usi batterie al litio-ossigeno per un'auto elettrica, potresti guidare 500 miglia, ma non puoi accelerare molto velocemente. Guidare a poche miglia all'ora non è molto divertente. Per quanto ne so, quasi tutte le batterie al litio-ossigeno sono ancora in fase di ricerca e la tecnologia non ha ancora un mercato molto ampio. Prestazione, stabilità e durata sono tutti problemi per le batterie al litio-ossigeno ora. Ma negli anni '70 e '80, le batterie agli ioni di litio hanno avuto problemi simili."
Nanotomografia dell'elettrodo della batteria raccolto dall'Argonne National Lab. Colori diversi rappresentano materiali diversi. Attestazione:Xianglin Li
Con la sua nuova sovvenzione NSF, Li spera di sviluppare una tecnologia per aumentare la densità di corrente delle batterie al litio-ossigeno per renderle più pratiche. Lavorerà nella struttura di tomografia computerizzata a raggi X della Carnegie Mellon University, collaborando con Shawn Listster.
"Il nostro obiettivo è aumentare la potenza della batteria al litio-ossigeno di un ordine di grandezza pur avendo la densità di energia all'avanguardia, " disse Li.
Li e Litster si concentreranno sulla comprensione e sul miglioramento della funzione dell'elettrodo di ossigeno della batteria al litio-ossigeno. Li ha affermato che le batterie al litio-ossigeno devono assorbire l'ossigeno dall'aria attraverso i pori su scala nanometrica per facilitare le reazioni. Così, le prestazioni elettrochimiche delle batterie litio-ossigeno dipendono dal flusso bifase liquido-gas alla scala dei pori dell'elettrodo. I ricercatori mirano a comprendere meglio il trasporto su scala dei pori degli elettrodi della batteria in base alla dimensione dei pori, struttura, connettività e bagnabilità.
"Shawn Litster della Carnegie Mellon ha un dispositivo unico per misurare le morfologie su scala nanometrica:una tecnologia che è come una TAC in un ospedale, ma con una risoluzione molto alta fino alla risoluzione di 20-30 nanometri, Li ha detto. "Vogliamo misurare gli elettrodi della batteria al litio-ossigeno e capire come possiamo trasferire meglio l'ossigeno con un design migliorato. La batteria deve assorbire ossigeno dall'aria, quindi se non forniamo ossigeno abbastanza velocemente, il potere sarà limitato. Utilizzeremo la sua struttura insieme ai nostri modelli e teorie avanzati per provare a progettare un elettrodo per batteria ad alte prestazioni e, si spera, avremo un prototipo per la dimostrazione in laboratorio".
L'indagine si concentrerà sul miglioramento del lento trasferimento di massa dell'ossigeno negli elettrodi della batteria.
"Le batterie sono dispositivi elettrochimici in cui si desidera un'elevata velocità di reazione e l'unico posto in cui può verificarsi la reazione è nell'interfaccia tra elettrodo ed elettrolita, " Li ha detto. "Dobbiamo creare una superficie più alta possibile utilizzando nanomateriali, ma il trasferimento di massa sarà molto lento perché i nanopori hanno una resistenza maggiore. In una batteria al litio-ossigeno, l'elettrolita è liquido e il trasferimento di massa attraverso il liquido è molto lento rispetto all'aria. Un esempio è che non puoi respirare attraverso un pezzo di carta imbevuto d'acqua a causa dell'elevata resistenza dell'acqua al trasferimento di ossigeno. È lo stesso caso per un elettrolita liquido, quindi vogliamo creare la fase gassosa nel nostro elettrodo per facilitare il trasferimento di ossigeno".
Li ha affermato che il progetto ha il potenziale per tradursi in una tecnologia brevettata che potrebbe portare avanti la ricerca e l'adozione della tecnologia al litio-ossigeno nei prossimi anni. I ricercatori intendono formare potenziali partnership con l'industria locale e raggiungere il pubblico attraverso la Kansas City STEM Alliance.
Inoltre, il lavoro di sovvenzione sosterrà la formazione di due studenti laureati KU.
"Attualmente ho uno studente di dottorato che penso si unirà a me in estate per venire alla CMU, " Li ha detto. "E 'una grande esperienza di formazione. Si diplomerà entro la fine dell'anno e l'anno prossimo ci sarà un altro studente laureato, quindi formerò due studenti diversi durante questo progetto".
