Come le batterie agli ioni di litio che alimentano la maggior parte dei telefoni, computer portatili, e i veicoli elettrici diventano sempre più veloci e performanti, crescono anche sempre più costosi e infiammabili.

In una ricerca pubblicata di recente su Energy Storage Materials, un team di ingegneri del Rensselaer Polytechnic Institute ha dimostrato come potevano, utilizzando elettroliti acquosi invece dei tipici elettroliti organici, assemblare un materiale sostanzialmente più sicuro, batteria economica che funziona ancora bene.

Se dovessi dare un'occhiata all'interno di una batteria, troverai due elettrodi:un anodo e un catodo. Questi elettrodi sono immersi in un elettrolita liquido che conduce ioni mentre la batteria si carica e si scarica.

Gli elettroliti acquosi sono stati presi in considerazione per questo ruolo a causa della loro natura non infiammabile e perché, a differenza degli elettroliti non acquosi, non sono sensibili all'umidità nel processo di fabbricazione, rendendoli più facili da lavorare e meno costosi. La sfida più grande con questo materiale è stata il mantenimento delle prestazioni.

"Se applichi troppa tensione all'acqua, l'acqua si elettrolizza, il che significa che l'acqua si scompone in idrogeno e ossigeno, " ha detto Nikhil Koratkar, un professore di cattedra dotato di meccanica, aerospaziale, e ingegneria nucleare a Rensselaer. "Questo è un problema perché poi ti degassifica, e l'elettrolita viene consumato. Quindi di solito, questo materiale ha una finestra di tensione molto limitata."

In questa ricerca, Koratkar e la sua squadra, che includeva Fudong Han, un professore di cattedra dotato di cattedra di meccanica, aerospaziale, e ingegneria nucleare:utilizzava un tipo speciale di elettrolita acquoso noto come elettrolita acqua-in-sale, che ha meno probabilità di elettrolirsi.

Per il catodo, i ricercatori hanno utilizzato l'ossido di litio manganese, e per l'anodo hanno usato l'ossido di tungsteno di niobio, un ossido complesso che Koratkar ha affermato non era stato esplorato prima in una batteria acquosa.

"Si scopre che l'ossido di tungsteno di niobio è eccezionale in termini di energia immagazzinata per unità di volume, " disse Koratkar. "Volumemetricamente, questo è stato di gran lunga il miglior risultato che abbiamo visto in una batteria agli ioni di litio acquosa."

L'ossido di tungsteno di niobio, Lui ha spiegato, è relativamente pesante e denso. Quel peso rende il suo accumulo di energia basato sulla massa nella media, ma l'impaccamento denso delle particelle di ossido di tungsteno di niobio nell'elettrodo rende abbastanza buono il suo accumulo di energia basato sul volume. La struttura cristallina di questo materiale ha anche canali ben definiti, o tunnel, che consentono agli ioni di litio di diffondersi rapidamente, il che significa che può caricare rapidamente.

La combinazione di capacità di ricarica rapida e capacità di immagazzinare una grande quantità di carica per unità di volume, Koratkar ha detto, è raro nelle batterie acquose.

Raggiungere quel tipo di prestazioni, con un basso costo e una maggiore sicurezza, ha implicazioni pratiche. Per applicazioni emergenti come l'elettronica portatile, veicoli elettrici, e stoccaggio in rete, la capacità di impacchettare la massima quantità di energia in un volume limitato diventa critica.