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Triplicare la densità di energia delle batterie agli ioni di litio

Usando ferro e fluoro

03-07-2018 14:02

Triplicare la densità di energia delle batterie agli ioni di litio

 

Quanto pesa la batteria di un’auto solo-elettrica? Dipende dalla densità energetica, cioè da quanti Joule (o kWh) di energia si possono immagazzinare in un decimetro cubo, o in kg, di accumulatore. La moda dell’auto solo-elettrica non è dovuta alla scoperta del motore elettrico (c’è da oltre un secolo), ma alla realizzazione di accumulatori con densità energetica maggiore.  Maggior densità energetica, minor peso a parità di autonomia, o maggiore autonomia a parità di peso.  Il vero  punto di svolta si avrà quando la densità energetica di volume degli accumulatori sarà pari o superiore a quella della benzina, ammesso che sia possibile.

Per aumentare la densità di  energia delle batterie al litio potrebbero però bastare due elementi chimici: il ferro e il fluoro. Questi due elementi  sono alla base della nuova ricerca USA per migliorare i materiali catodoci della batteria, quelli responsabili della semireazione di riduzione.

Una collaborazione tra l’Università del Maryland, il Dipartimento americano dell’energia (DOE), il Brookhaven National Laboratory e il Research Lab dell’esercito statunitense (notare, tutti enti pubblici) è riuscita a scoprire come  triplicare la densità  di energia dei dispositivi al litio impiegando il floruro di ferro (FeF3). Si tratta di un sale tossico e dannoso per l’ambiente che potrebbe migliorare notevolmente le prestazioni degli elettrodi.

“Le batterie agli ioni di litio sono costituite da un anodo e un catodo”, spiega Xiulin Fan, scienziato dell’Università del Maryland UMD. “Rispetto alla grande capacità degli anodi in grafite commerciale utilizzati nelle batterie, la capacità dei catodi è molto più limitata: i materiali rappresentano ancora oggi il collo di bottiglia per migliorare ulteriormente la densità energetica dei dispositivi agli ioni di litio”.

Come spiega l’articolo, pubblicato il 13 giugno su Nature Communications, i materiali impiegati sono normalmente basati sulla chimica di intercalazione: questo tipo di reazione è molto efficiente, tuttavia, trasferisce solo un singolo elettrone per volta, limitando la capacità del catodo.

Alcuni composti, come il FeF3, sono invece in grado di trasferire più elettroni grazie a un meccanismo noto come reazione di conversione. Nonostante questa capacità, il fluoruro di ferro ha sempre avuto dei problemi nella pratica a causa di reazioni collaterali che ne determinano una scarsa ciclabilità. Per arginare il problema, gli scienziati hanno aggiunto al sale atomi di cobalto e ossigeno tramite un processo chiamato sostituzione chimica. Ciò ha permesso agli scienziati di manipolare il percorso di reazione e renderlo più “reversibile”. I test effettuati dimostrano che il nuovo catodo è in grado è in grado di aumentare l’accumulo di energia: i risultati mostrano oltre 1000 cicli con una capacità di 420 mAh/g e una densità di energia di circa  1 kWh/kg. La strategia di co-sostituzione potrebbe essere estesa ad altri materiali per migliorare ulteriormente le prestazioni energetiche.

Quando saranno effettivamente disponibili, e a basso prezzo, questo tipo di accumulatori ci si dovrà porre anche il problema del riciclaggio; per evitare che composti tossici si disperdano nell’ambiente e ci tornino indietro sotto forma di cibo, come già sta accadendo con i polimeri nei pesci.

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