(Phys.org) -- Come suggerisce il nome, Le batterie Li-Air utilizzano l'aria per funzionare, estraendo molecole di ossigeno da utilizzare in un ambiente poroso, catodo a base di carbonio, durante l'utilizzo di litio nell'anodo. Perché l'uso dell'aria significa che la batteria non deve immagazzinare una fonte di carica pesante al catodo, le batterie possono fornire una densità di energia estremamente elevata, contenere quasi la stessa quantità di energia in un dato volume della benzina, e 5-10 volte di più rispetto alle batterie agli ioni di litio. Nonostante questo grande appello, Le batterie Li-Air devono ancora affrontare molti limiti che ne impediscono la commercializzazione. In un nuovo studio, un team di ricercatori ha affrontato una di queste sfide:reversibilità, che è necessario per poter ricaricare la batteria più volte.
I ricercatori, Tommaso Arruda, Amit Kumar, Sergei Kalinin, e Stephen Jesse all'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee, hanno pubblicato un articolo in un recente numero di Nanotecnologia in cui esplorano i fattori che controllano la reversibilità della crescita delle particelle su un elettrolita sottostante le batterie Li-aria e le nanobatterie.
"Riteniamo che questo lavoro apra la strada allo studio dell'elettrochimica su nanoscala irreversibile o quasi reversibile - in sistemi di materiali che vanno dalle batterie Li-aria a campi più consolidati come la corrosione, galvanica, e molti altri, "Kalinin ha detto Phys.org .
“Batterie al litio primarie, che non sono ricaricabili e usa e getta, hanno elevate densità di energia e sono disponibili in commercio dagli anni '60; però, possono essere utilizzati una sola volta, disse Arruda. “Affinché queste cellule siano competitive, Per esempio, con combustibili fossili (es. applicazioni automobilistiche), hanno bisogno di essere ricaricate centinaia, se non migliaia, di volte. Considera il rifornimento medio dei pendolari una volta alla settimana. Ciò equivale a più di 500 riempimenti nel corso di un decennio. Una batteria Li-Air per autoveicoli dovrebbe soddisfare questo criterio, anche senza considerare i costi o altri parametri importanti. Infatti, la reversibilità rimane il compito più importante e difficile da raggiungere per le batterie Li-aria, come evidenziato dall'intenso esame dei principali esperti di batterie”.
Quando si utilizza una batteria Li-Air carica, gli ioni Li nell'anodo viaggiano verso il catodo, dove reagiscono con l'ossigeno tramite una reazione di riduzione dell'ossigeno. Gli elettroni risultanti da questa reazione vengono quindi raccolti e utilizzati per fornire elettricità ai dispositivi elettronici. Per ricaricare la batteria, gli ioni di litio devono viaggiare dal catodo all'anodo. Come spiegano i ricercatori, il motivo per cui è così difficile rendere ricaricabili le batterie Li-air è perché le batterie combinano i processi più difficili utilizzati sia nelle batterie che nelle celle a combustibile.
“Alla base di questi processi c'è un'abbondanza di sostanze chimiche sfavorevoli come la scarsa solubilità dei prodotti di reazione (specie LiOx), cinetica di reazione lenta, e la propensione del Li metal a reagire sfavorevolmente con quasi tutto, " disse Iesse. “Per il caso dell'anodo, l'elettrodeposizione di ioni Li a Li metallico spesso procede con la formazione di particelle di Li aghiformi chiamate dendriti. Queste particelle influiscono negativamente sulla batteria (1) scollegandosi dall'anodo e quindi non disponibili a partecipare alla reazione e (2) aumentando il rischio di un cortocircuito interno che potrebbe causare fughe termiche e incendi. Al catodo, la reazione di riduzione dell'ossigeno rimane una sfida tanto grande per le batterie Li-aria quanto per le celle a combustibile. Quando le due reazioni sono combinate, formano una miscela di prodotti insolubili che difficilmente reagiscono al contrario e alla fine soffocano il catodo”.
Nel loro studio, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a forza atomica (AFM) per studiare la reversibilità della batteria analizzando la crescita delle particelle di Li. Mentre spazza la polarizzazione di una punta AFM da 20 nm sulla superficie di un elettrolita in vetroceramica conduttivo agli ioni di litio, hanno misurato la variazione dell'altezza della punta durante il processo di ciclismo. Hanno scoperto che aumenti e diminuzioni dell'altezza della punta corrispondono a cambiamenti di corrente, consentendo loro di dimostrare l'esistenza della reversibilità e di mappare il grado di reversibilità in luoghi diversi.
Nel futuro, i ricercatori sperano di migliorare ulteriormente la reversibilità, e si noti che le batterie al litio devono ancora affrontare molte altre sfide prima di poter essere commercializzate.
"Sviluppi tecnologici e ingegneria dei sistemi su tutti i principali componenti delle batterie Li-aria sono necessari per portare questa tecnologia sul mercato, ” ha detto Kalinin. “Sono necessari catalizzatori migliori sul catodo, La protezione dell'anodo di litio senza impedimenti funzionali rimane fondamentale, e gli elettroliti multifunzionali superiori necessitano di sviluppo. L'onnipresente necessità di comprendere i processi fondamentali al livello più elementare dei componenti chiave della batteria rimane una priorità assoluta. Solo dopo aver raggiunto una comprensione completa dei processi elementari è possibile mettere a punto le sostanze chimiche e progettare correttamente i sistemi per soddisfare le metriche richieste dall'applicazione.
Se i ricercatori possono superare queste sfide, Le batterie Li-Air potrebbero potenzialmente immagazzinare energia per un'ampia varietà di applicazioni.
“Se le batterie Li-air potessero essere realizzate, l'applicazione principale sarebbe per il trasporto e altre situazioni in cui è necessaria la mobilità (come laptop, ecc.) poiché saranno molto leggeri per la quantità di energia che immagazzinano, disse Arruda. “L'ottimizzazione delle batterie Li-air per includere un gran numero di cicli di carica/scarica ridurrà i costi e renderà i veicoli completamente elettrici una realtà senza la necessità di batterie pesanti come è la situazione attuale. Oltre questo, è facile immaginare che questa tecnologia (nanobatterie Li-aria) venga applicata a sistemi microelettromeccanici e nanoelettromeccanici (MEMS e NEMS). Questi potrebbero essere i sistemi ideali per impiegare tali fonti di energia in quanto avrebbero un fabbisogno energetico molto inferiore e potrebbero funzionare per lunghi periodi di tempo”.
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