Un team internazionale di ricercatori guidati dalla Stanford University ha sviluppato batterie ricaricabili in grado di immagazzinare fino a sei volte più carica di quelle attualmente disponibili in commercio.
Potrebbe accelerare l'uso di batterie ricaricabili e avvicinare i ricercatori di batterie al raggiungimento di due obiettivi principali nel loro campo: creare una batteria ricaricabile ad alte prestazioni che potrebbe consentire di caricare i cellulari solo una volta alla settimana invece dei veicoli giornalieri e elettrici che può viaggiare sei volte più lontano senza ricarica.
Le nuove cosiddette batterie al cloro metallo alcalino, sviluppate da un team di ricercatori guidati dal professore di chimica di Stanford Hongjie Dai e dal dottorando Guanzhou Zhu, si basano sulla conversione chimica avanti e indietro del cloruro di sodio (Na/Cl2) o cloruro di litio (Li/Cl2) al cloro.
Quando gli elettroni viaggiano da un lato all'altro di una batteria ricaricabile, la ricarica riporta la chimica al suo stato originale in attesa di un altro utilizzo. Le batterie non ricaricabili non hanno questa fortuna. Una volta prosciugati, la loro chimica non può essere ripristinata.
“Una batteria ricaricabile è un po' come una sedia a dondolo. Si inclina in una direzione, ma poi torna indietro quando si aggiunge elettricità", ha spiegato Dai. "Quello che abbiamo qui è una sedia a dondolo a dondolo."
Scoperta fortuita
Il motivo per cui nessuno aveva ancora creato una batteria ricaricabile al sodio-cloro o al litio-cloro ad alte prestazioni è che il cloro è troppo reattivo e difficile da riconvertire in un cloruro ad alta efficienza. Nei pochi casi in cui altri sono riusciti a raggiungere un certo grado di ricaricabilità, le prestazioni della batteria si sono rivelate scarse.
In effetti, Dai e Zhu non si sono proposti affatto di creare una batteria ricaricabile al sodio e al litio-cloro, ma semplicemente di migliorare le loro tecnologie di batterie esistenti utilizzando il cloruro di tionile. Questa sostanza chimica è uno degli ingredienti principali delle batterie al litio-cloruro di tionile, che sono un tipo popolare di batteria monouso inventata per la prima volta negli anni '1970.
Ma in uno dei loro primi esperimenti che coinvolgono cloro e cloruro di sodio, i ricercatori di Stanford hanno notato che la conversione di una sostanza chimica in un'altra si era in qualche modo stabilizzata, risultando in una certa capacità di ricarica. "Non pensavo fosse possibile", ha detto Dai. "Ci è voluto circa un anno per capire davvero cosa stava succedendo".
Negli anni successivi, il team ha chiarito la chimica reversibile e ha cercato modi per renderla più efficiente sperimentando molti materiali diversi per l'elettrodo positivo della batteria. La grande svolta è arrivata quando hanno formato l'elettrodo utilizzando un materiale di carbonio poroso avanzato dai collaboratori il professor Yuan-Yao Li e il suo studente Hung-Chun Tai della National Chung Cheng University di Taiwan. Il materiale in carbonio ha una struttura a nanosfere riempita con molti pori ultra piccoli. In pratica, queste sfere cave agiscono come una spugna, assorbendo abbondanti quantità di molecole di cloro altrimenti permalose e conservandole per la successiva conversione in sale all'interno dei micropori.
"La molecola di cloro viene intrappolata e protetta nei minuscoli pori delle nanosfere di carbonio quando la batteria è carica", ha spiegato Zhu. “Quindi, quando la batteria deve essere scaricata o scaricata, possiamo scaricare la batteria e convertire il cloro per produrre NaCl, sale da cucina, e ripetere questo processo per molti cicli. Attualmente possiamo pedalare fino a 200 volte e c'è ancora spazio per miglioramenti".
Il risultato è un passo avanti verso l'anello di ottone del design della batteria: alta densità di energia. I ricercatori hanno finora raggiunto 1,200 milliampere per grammo di materiale per elettrodi positivi, mentre la capacità della batteria commerciale agli ioni di litio oggi arriva fino a 200 milliampere per grammo. "Il nostro ha una capacità almeno sei volte superiore", ha detto Zhu.
I ricercatori prevedono che un giorno le loro batterie vengano utilizzate in situazioni in cui la ricarica frequente non è pratica o desiderabile, come nei satelliti o nei sensori remoti. Molti satelliti altrimenti utilizzabili ora galleggiano in orbita, obsoleti a causa delle batterie scariche. I futuri satelliti dotati di batterie ricaricabili a lunga durata potrebbero essere dotati di caricabatterie solari, estendendo la loro utilità molte volte.
Per ora, però, il prototipo funzionante che hanno sviluppato potrebbe essere ancora adatto per l'uso in piccoli dispositivi elettronici di tutti i giorni come apparecchi acustici o telecomandi. Per l'elettronica di consumo o veicoli elettrici, resta ancora molto lavoro da fare per progettare la struttura della batteria, aumentare la densità di energia, aumentare le dimensioni delle batterie e aumentare il numero di cicli.
ELE Times Bureau
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