Roma – Cosa accadrebbe se un elemento comune, e non scarsi e costosi, fosse un componente chiave nelle batterie delle auto elettriche?
Una collaborazione guidata da un ricercatore chimico della Oregon State University spera di innescare una rivoluzione verde delle batterie dimostrando che il ferro invece del cobalto e del nichel può essere utilizzato come materiale catodico nelle batterie agli ioni di litio.
I risultati, pubblicati oggi su Science Advances , sono importanti per molteplici ragioni, osserva Xiulei “David” Ji dell’Oregon State.
“Abbiamo trasformato la reattività del ferro, il metallo più economico”, ha affermato. “Il nostro elettrodo può offrire una densità di energia maggiore rispetto ai materiali catodici all’avanguardia nei veicoli elettrici. E poiché utilizziamo il ferro, il cui costo può essere inferiore a un dollaro al chilogrammo – una piccola frazione di nichel e cobalto, indispensabili nelle attuali batterie agli ioni di litio ad alta energia – il costo delle nostre batterie è potenzialmente molto più basso”.
Una collaborazione guidata dal ricercatore chimico David Ji della Oregon State University spera di innescare una rivoluzione verde delle batterie dimostrando che il ferro invece del cobalto e del nichel può essere utilizzato come materiale catodico nelle batterie agli ioni di litio.
CREDITO
Immagine fornita da Xiulei “David” Ji, Oregon State University
Attualmente, il catodo rappresenta il 50% del costo di produzione di una cella di batteria agli ioni di litio, ha affermato Ji. Al di là degli aspetti economici, i catodi a base di ferro consentirebbero maggiore sicurezza e sostenibilità, ha aggiunto.
Poiché sempre più batterie agli ioni di litio vengono prodotte per elettrificare il settore dei trasporti, la domanda globale di nichel e cobalto è aumentata vertiginosamente. Ji sottolinea che nel giro di un paio di decenni, le previste carenze di nichel e cobalto freneranno la produzione di batterie come avviene attualmente.
Inoltre, la densità energetica di questi elementi è già stata estesa al livello massimo – se fosse spinta oltre, l’ossigeno rilasciato durante la ricarica potrebbe causare l’incendio delle batterie – inoltre il cobalto è tossico, il che significa che può contaminare gli ecosistemi e le fonti d’acqua se fuoriesce. delle discariche.
Mettendo tutto insieme, ha detto Ji, è facile comprendere la ricerca globale di prodotti chimici per le batterie nuovi e più sostenibili.
Una batteria immagazzina energia sotto forma di energia chimica e attraverso reazioni la converte nell’energia elettrica necessaria per alimentare veicoli, telefoni cellulari, laptop e molti altri dispositivi e macchine. Esistono diversi tipi di batterie, ma la maggior parte funziona allo stesso modo e contiene gli stessi componenti di base.
Una batteria è composta da due elettrodi – l’anodo e il catodo, generalmente realizzati con materiali diversi – nonché da un separatore e da un elettrolita, un mezzo chimico che consente il flusso di carica elettrica. Durante la scarica della batteria, gli elettroni fluiscono dall’anodo in un circuito esterno e poi si raccolgono nel catodo.
In una batteria agli ioni di litio, come suggerisce il nome, la carica viene trasportata tramite gli ioni di litio mentre si muovono attraverso l’elettrolita dall’anodo al catodo durante la scarica e viceversa durante la ricarica.
“Il nostro catodo a base di ferro non sarà limitato dalla carenza di risorse”, ha detto Ji, spiegando che il ferro, oltre ad essere l’elemento più comune sulla Terra misurato in massa, è il quarto elemento più abbondante nella crosta terrestre . “Non rimarremo senza ferro finché il sole non si trasformerà in una gigante rossa.”
Ji e collaboratori di numerose università e laboratori nazionali hanno aumentato la reattività del ferro nel loro catodo progettando un ambiente chimico basato su una miscela di fluoro e anioni fosfato, ioni caricati negativamente.
La miscela, accuratamente miscelata come soluzione solida, consente la conversione reversibile – ovvero la batteria può essere ricaricata – di una miscela fine di polvere di ferro, fluoruro di litio e fosfato di litio in sali di ferro.
“Abbiamo dimostrato che la progettazione dei materiali con anioni può rompere il tetto della densità energetica per batterie che sono più sostenibili e costano meno”, ha affermato Ji. “Non utilizziamo sale più costoso insieme al ferro, ma solo quelli utilizzati dall’industria delle batterie e poi la polvere di ferro. Per inserire questo nuovo catodo nelle applicazioni, non è necessario cambiare nient’altro: niente nuovi anodi, niente nuove linee di produzione, niente nuovo design della batteria. Stiamo solo sostituendo una cosa, il catodo”.
L’efficienza dello stoccaggio deve ancora essere migliorata, ha detto Ji. Al momento, non tutta l’elettricità immessa nella batteria durante la ricarica è disponibile per essere utilizzata dopo la scarica. Quando questi miglioramenti verranno apportati, e Ji si aspetta che lo siano, il risultato sarà una batteria che funzionerà molto meglio di quelle attualmente in uso, costando meno ed essendo più ecologica.
“Se ci sono investimenti in questa tecnologia, non dovrebbe volerci molto prima che sia disponibile in commercio”, ha detto Ji. “Abbiamo bisogno che i visionari del settore allochino risorse in questo campo emergente. Il mondo può avere un’industria del catodo basata su un metallo quasi gratuito rispetto al cobalto e al nichel. E anche se devi lavorare davvero duro per riciclare il cobalto e il nichel, non devi nemmeno riciclare il ferro: se lo lasci andare si trasforma in ruggine”.
Il programma Basic Energy Sciences del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha finanziato questa ricerca, che è stata co-guidata da Tongchao Liu dell’Argonne National Laboratory e comprendeva anche Mingliang Yu, Min Soo Jung e Sean Sandstrom dell’Oregon State. Hanno contribuito anche scienziati della Vanderbilt University, della Stanford University, dell’Università del Maryland, del Lawrence Berkeley National Laboratory e dello SLAC National Accelerator Laboratory.(30Science.com)
