I ricercatori hanno costruito un sistema più efficiente, batteria più affidabile al potassio-ossigeno, un passo verso una potenziale soluzione per l'accumulo di energia sulla rete elettrica nazionale e batterie di maggiore durata nei telefoni cellulari e nei laptop.

In uno studio pubblicato venerdì sulla rivista Batterie e Supercaps , i ricercatori della Ohio State University hanno dettagliato le loro scoperte incentrate sulla costruzione del catodo della batteria, che immagazzina l'energia prodotta da una reazione chimica in una batteria metallo-ossigeno o metallo-aria. Il ritrovamento, dicono i ricercatori, potrebbe rendere le fonti di energia rinnovabile come il solare e l'eolico opzioni più praticabili per la rete elettrica attraverso meno, stoccaggio di energia più efficiente.

"Se vuoi passare a un'opzione completamente rinnovabile per la rete elettrica, hai bisogno di dispositivi di accumulo di energia economici in grado di immagazzinare energia in eccesso e restituire quella potenza quando non hai la fonte pronta o funzionante, " disse Vishnu-Baba Sundaresan, co-autore dello studio e professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l'Ohio State. "Una tecnologia come questa è fondamentale, perchè costa poco, non utilizza materiali esotici, e può essere realizzato ovunque e promuovere l'economia locale".

Le fonti energetiche rinnovabili non emettono anidride carbonica, quindi non contribuiscono al riscaldamento globale, ma forniscono energia solo quando splende il sole o soffia il vento. Affinché possano essere fonti affidabili di energia per la rete energetica di una regione, ci deve essere un modo per immagazzinare l'energia in eccesso raccolta dal sole e dal vento.

Aziende, scienziati e governi di tutto il mondo stanno lavorando a soluzioni di archiviazione, che vanno dalle batterie agli ioni di litio, versioni più grandi di quelle in molti veicoli elettrici, alle batterie giganti delle dimensioni di un negozio di grandi dimensioni realizzate utilizzando il metallo vanadio.

Le batterie potassio-ossigeno sono state una potenziale alternativa per l'accumulo di energia da quando sono state inventate nel 2013. Un team di ricercatori dello stato dell'Ohio, guidato dal professore di chimica Yiying Wu, ha mostrato che le batterie potrebbero essere più efficienti delle batterie al litio-ossigeno e allo stesso tempo immagazzinare circa il doppio dell'energia delle batterie agli ioni di litio esistenti. Ma le batterie potassio-ossigeno non sono state ampiamente utilizzate per lo stoccaggio di energia perché, finora, non sono stati in grado di ricaricare abbastanza volte per essere conveniente.

Mentre i team cercavano di creare una batteria al potassio e ossigeno che potesse essere una valida soluzione di conservazione, continuavano a imbattersi in un posto di blocco:la batteria si degradava ad ogni carica, non durano mai più di cinque o 10 cicli di ricarica, tutt'altro che sufficienti per rendere la batteria una soluzione conveniente per immagazzinare energia. Tale degrado è avvenuto perché l'ossigeno si è insinuato nell'anodo della batteria, il luogo che consente agli elettroni di caricare un dispositivo, che si tratti di un telefono cellulare o di una rete elettrica. L'ossigeno ha causato la rottura dell'anodo, facendo in modo che la batteria stessa non potesse più fornire una carica.

Paolo Gilmore, un dottorando nel laboratorio di Sundaresan, iniziò a incorporare polimeri nel catodo per vedere se poteva essere in grado di proteggere l'anodo dall'ossigeno. Se potesse trovare un modo per farlo, pensava, darebbe alle batterie potassio-ossigeno una possibilità di vita più lunga. Si è scoperto che aveva ragione:il team si è reso conto che il rigonfiamento del polimero ha svolto un ruolo fondamentale nelle sue prestazioni. Il tasto, Gilmore ha detto, stava trovando un modo per portare l'ossigeno nella batteria, necessario per farlo funzionare, senza permettere all'ossigeno di penetrare nell'anodo.

Questo design funziona un po' come i polmoni umani:l'aria entra nella batteria attraverso uno strato fibroso di carbonio, incontra poi un secondo strato leggermente meno poroso e termina infine con un terzo strato, che è a malapena poroso. Quel terzo strato, fatto del polimero conduttore, permette agli ioni di potassio di viaggiare attraverso il catodo, ma impedisce all'ossigeno molecolare di raggiungere l'anodo. Il design significa che la batteria può essere caricata almeno 125 volte, fornendo batterie all'ossigeno di potassio più di 12 volte la longevità che avevano in precedenza con elettroliti a basso costo.

La scoperta mostra che questo è possibile, ma i test del team non hanno dimostrato che le batterie possono essere realizzate sulla scala necessaria per l'immagazzinamento nella rete elettrica, ha detto Sundaresan. Però, mostra il potenziale.

Gilmore ha affermato che potrebbe esistere anche il potenziale per le batterie all'ossigeno di potassio per essere utili in altre applicazioni.

"Le batterie all'ossigeno hanno una maggiore densità di energia, il che significa che possono migliorare l'autonomia dei veicoli elettrici e la durata della batteria dell'elettronica portatile, Per esempio, sebbene altre sfide debbano essere superate prima che le batterie potassio-ossigeno siano praticabili per queste applicazioni, " Egli ha detto.

E la scoperta offre un'alternativa alle batterie agli ioni di litio e ad altre che si basano sul cobalto, un materiale che è stato chiamato "il diamante insanguinato delle batterie". L'estrazione del materiale è così preoccupante che le grandi aziende, compreso TESLA, hanno annunciato i loro piani per eliminarlo completamente dalle batterie.

"È molto importante che le batterie destinate ad applicazioni su larga scala non utilizzino cobalto, " ha detto Sundaresan.

Ed è anche importante che la batteria possa essere realizzata a buon mercato. Le batterie al litio-ossigeno, una possibile soluzione di accumulo di energia che è ampiamente considerata una delle opzioni più praticabili, possono essere costose, e molti si affidano a risorse scarse, compreso il cobalto. Le batterie agli ioni di litio che alimentano molte auto elettriche costano circa $ 100 per kilowattora a livello di materiali.

I ricercatori hanno stimato che questa batteria al potassio-ossigeno costerà circa $ 44 per chilowattora.

"Quando si tratta di batterie, una taglia non va bene per tutti, ", ha detto Sundaresan. "Per le batterie al potassio-ossigeno e al litio-ossigeno, il costo è stato proibitivo per usarli come backup dell'alimentazione di rete. Ma ora che abbiamo dimostrato di poter realizzare una batteria così economica e stabile, quindi lo fa competere con altre tecnologie per il backup dell'alimentazione di rete.

"Se hai una batteria piccola ed economica, quindi puoi parlare di ridimensionarlo. Se hai una batteria piccola che costa $ 1, 000 al pop, quindi ridimensionarlo non è possibile. Questo apre le porte per un ridimensionamento".