Un team della Cornell Engineering ha creato un nuovo batteria al litio che può caricarsi in meno di cinque minuti – più velocemente di qualsiasi batteria di questo tipo sul mercato – mantenendo prestazioni stabili su cicli estesi di carica e scarica.
Dopo aver caricato rapidamente la loro nuova batteria al litio, i ricercatori hanno osservato che l’anodo di indio aveva un’elettrodeposizione del litio regolare, mentre altri materiali anodici possono far crescere dendriti che influiscono sulle prestazioni della batteria.
La svolta potrebbe alleviare “l’ansia da autonomia” tra i conducenti che temono che i veicoli elettrici non possano percorrere lunghe distanze senza una ricarica che richiede tempo.
“L’ansia da autonomia rappresenta un ostacolo all’elettrificazione nei trasporti maggiore di qualsiasi altro ostacolo, come il costo e la capacità delle batterie, e abbiamo identificato un percorso per eliminarlo utilizzando progetti razionali di elettrodi”, ha affermato Lynden Archer, James A. Friend Family, illustre professore di ingegneria della Cornell e preside della Cornell Engineering, che ha supervisionato il progetto. “Se riesci a caricare la batteria di un veicolo elettrico in cinque minuti, voglio dire, cavolo, non è necessario avere una batteria abbastanza grande per un’autonomia di 300 miglia. Puoi accontentarti di meno, il che potrebbe ridurre il costo dei veicoli elettrici, consentendone un’adozione più ampia”.
Il documento della squadra, “Ricarica rapida e conservazione di lunga durata nelle batterie al litio”, è stato pubblicato su Joule. L’autore principale è Shuo Jin, uno studente di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare.
Le batterie agli ioni di litio sono tra i mezzi più diffusi per alimentare veicoli elettrici e smartphone. Le batterie sono leggere, affidabili e relativamente efficienti dal punto di vista energetico. Tuttavia, impiegano ore per caricarsi e non sono in grado di gestire grandi picchi di corrente.
“Il nostro obiettivo era creare progetti di elettrodi per batterie che si caricassero e scaricassero in modo da allinearsi alla routine quotidiana”, ha affermato Jin. “In termini pratici, desideriamo che i nostri dispositivi elettronici si carichino rapidamente e funzionino per periodi prolungati. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo identificato un materiale anodico di indio unico che può essere efficacemente accoppiato con vari materiali catodici per creare una batteria che si carica rapidamente e si scarica lentamente”.
Il laboratorio di Archer in precedenza si è avvicinato alla progettazione delle batterie concentrandosi su come gli ioni si muovono negli elettroliti e si cristallizzano alle interfacce degli anodi metallici, quindi ha utilizzato queste conoscenze per manipolare la morfologia degli elettrodi per creare anodi più sicuri per la conservazione a lunga durata.
Per la loro nuova batteria al litio, i ricercatori hanno preso una strada diversa e si sono concentrati sulla cinetica delle reazioni elettrochimiche, impiegando in particolare un concetto di ingegneria chimica chiamato “numero di Damköhler”. Si tratta essenzialmente di una misura della velocità con cui si verificano le reazioni chimiche rispetto alla velocità con cui il materiale viene trasportato al sito di reazione.
L’identificazione di materiali per gli elettrodi delle batterie con velocità di trasporto dello stato solido intrinsecamente elevate, e quindi bassi numeri di Damköhler, ha aiutato i ricercatori a individuare l’indio come un materiale eccezionalmente promettente per le batterie a ricarica rapida. L’indio è un metallo tenero, utilizzato principalmente per realizzare rivestimenti in ossido di indio-stagno per display touch-screen e pannelli solari. Viene anche utilizzato come sostituto del piombo nelle saldature a bassa temperatura.
Il nuovo studio mostra che l’indio ha due caratteristiche cruciali come anodo di batteria: una barriera energetica di migrazione estremamente bassa, che stabilisce la velocità con cui gli ioni si diffondono allo stato solido, e una modesta densità di corrente di scambio, che è correlata alla velocità con cui gli ioni si diffondono nello stato solido. sono ridotti nell’anodo. La combinazione di queste qualità – diffusione rapida e cinetica di reazione superficiale lenta – è essenziale per la ricarica rapida e lo stoccaggio di lunga durata.
“L’innovazione chiave è che abbiamo scoperto un principio di progettazione che consente agli ioni metallici sull’anodo della batteria di muoversi liberamente, trovare la giusta configurazione e solo allora partecipare alla reazione di accumulo della carica”, ha affermato Archer. “Il risultato è che l’elettrodo si trova in uno stato morfologico stabile in ogni ciclo di carica. È proprio ciò che dà alle nostre nuove batterie a ricarica rapida la capacità di caricarsi e scaricarsi ripetutamente per migliaia di cicli”.
Quella tecnologia, abbinata a ricarica a induzione wireless sulle strade, ridurrebbe le dimensioni e i costi delle batterie, rendendo il trasporto elettrico un’opzione più praticabile per i conducenti.
Tuttavia, ciò non significa che gli anodi di indio siano perfetti o addirittura pratici.
“Sebbene questo risultato sia entusiasmante, in quanto ci insegna come ottenere batterie a carica rapida, l’indio è pesante”, ha affermato Archer. “Qui sta un’opportunità per la modellazione chimica computazionale, magari utilizzando strumenti di intelligenza artificiale generativa, per scoprire quali altri materiali chimici leggeri potrebbero ottenere gli stessi numeri di Damköhler intrinsecamente bassi. Ad esempio, esistono leghe metalliche che non abbiamo mai studiato e che hanno le caratteristiche desiderate? Ecco da dove viene la mia soddisfazione, dal fatto che esiste un principio generale che consente a chiunque di progettare un anodo per batteria migliore che raggiunga velocità di ricarica più rapide rispetto alla tecnologia all’avanguardia”.
Fonte: Università Cornell
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
