Gli ultimi progressi per le batterie litio-aria
Vantano eccellenti densità energetiche, superiori persino alle ricaricabili commerciali, ma non riescono a reggere il confronto in termini di ciclo di vita, scalabilità e funzionamento ad alta velocità. Parliamo delle batterie litio-aria o litio-ossigeno, nuova promessa del settore dell’accumulo, alla continua ricerca di elettrodi ad alta capacità. E più precisamente di catodi. È questo infatti il punto debole della tecnologia e al tempo stesso la chiave per aprire la porta a un futuro di nuove applicazioni. Per capire perché, è necessario però partire dalla struttura.
Come funzionano le batterie Li-aria?
Le batterie litio-aria sono composte da un anodo solitamente in litio metallico e un catodo in carbonio poroso a contatto con l’aria, separati da un elettrolita che può essere acquoso, aprotico, misto acquoso-aprotico o allo stato solido.
Durante la scarica, il litio dell’anodo si ossida, rilasciando elettroni nel circuito esterno e ioni litio che migrano attraverso l’elettrolita verso il catodo per reagire con l’ossigeno assorbito dall’aria. Durante la carica, avviene il processo opposto, con rilascio di ossigeno e gli ioni di litio che ritornano all’anodo, depositandosi sulla superficie come litio metallico.
Il catodo in carbonio poroso
Per lo sviluppo di elettrodi a base di carbonio, è essenziale un controllo preciso della struttura multiscala dei pori. Studi scientifici hanno dimostrato che maggiore è il volume di questi ultimi e la superficie del materiale stesso, maggiore sarà la capacità della batteria. Allo stesso tempo, però, questo “ampliamento” richiede una significativa quantità di elettrolita per riempire i pori, che può influire negativamente sulla densità energetica complessiva della batteria.
A trovare un compromesso vantaggioso è oggi un nuovo studio condotto in Giappone dall’Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali (NIMS) di Tsukuba e dal centro tecnologico della Toyo Tanso. Gli scienziati hanno sviluppato un elettrodo di carbonio che consente il funzionamento stabile di una batteria litio-aria da 1 Wh, ottenendo contemporaneamente maggiore potenza, maggiore durata e scalabilità.
Un risultato ottenuto grazie al mix delle rispettive competenze e innovazioni. Il team ha infatti unito la tecnologia di produzione della Toyo Tanso per il carbonio poroso “CNovel” (caratterizzato da una struttura mesoporosa controllata) con quella proprietaria NIMS per la fabbricazione di membrane in carbonio autoportanti.
La ricetta giapponese per batterie litio-aria scalabili e durature
Nel dettaglio, i ricercatori hanno impiegato resina fenolica come precursore del carbonio e particelle di ossido di magnesio (MgO) come modello rigido. Regolando le dimensioni di quest’ultimo, è stato possibile controllare con precisione la dimensione dei mesopori del carbonio. Un trattamento termico secondario è stato quindi impiegato per affinare le proprietà superficiali e ridurre la microporosità.
Successivamente, la polvere di carbonio è stata trasformata in una sospensione e fusa su un supporto tramite una tecnica di stesura a lama, ottenendo in questo modo grandi membrane autoportanti con spessore uniforme. Ultimo passaggio: la separazione di fase non indotta da solvente, grazie a cui il team ha prodotto una rete di macropori interconnessi in aggiunta ai mesopori preesistenti.
Come si traduce tutto questo nella pratica? In un elettrodo di oltre 4 cm2 che, una volta inserito in un prototipo di batteria litio-aria da 1 Wh, ne ha confermato efficienza e stabilità. La cella, dotata di un’energia specifica di 130 Wh/kg, ha funzionato per oltre 150 cicli a 1,5 mA/cm2.
“Per illustrare il pieno potenziale del sistema di elettrodi sviluppato, abbiamo anche incluso dati simulati […], che mostrano come una cella multistrato possa raggiungere valori di energia specifica superiori a 700 Wh/kg con una configurazione di cella ottimizzata”, spiegano gli scienziati.
Lo studio Hierarchically porous graphitized carbon membrane for 1-Watt-hour-class rechargeable lithium-oxygen pouch cells è consultabile su Cell Reports Physical Science.