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Jun 22, 2023

Litio

By SPW | January 29, 2019 By Sofiane Boukhalfa, PhD, project architect; and

Di SPW | 29 gennaio 2019

Di Sofiane Boukhalfa, PhD, architetto progettista; e Navneeta Kaul, PhD, ricercatore; entrambi con PreScouter

Il mondo moderno funziona con batterie a base di litio. Tuttavia, sono in fase di sviluppo numerose sostanze chimiche e nuove tecnologie per contrastare i limiti delle batterie agli ioni di litio, compresi i costi elevati, l’approvvigionamento delle materie prime e il surriscaldamento. La società di ricerca e intelligence PreScouter con sede a Chicago ha recentemente pubblicato un rapporto che descrive in dettaglio 10 nuove tecnologie di batterie destinate a sconvolgere il mercato nel prossimo decennio e inaugurare la prossima ondata di batterie ad alte prestazioni. Ecco uno sguardo di alto livello ai risultati del rapporto, inclusa una revisione di queste tecnologie di batterie più preziose per l'energia solare e lo stoccaggio.

Dieci tecnologie per le batterie che potrebbero sconvolgere il mercato del solare e dello storage nei prossimi 5-10 anni. PreScouter

Le batterie agli ioni di litio hanno tradizionalmente utilizzato anodi di grafite, ma ricercatori e aziende si stanno ora concentrando sugli anodi di silicio. Gli anodi a predominanza di Si possono legare gli ioni di litio 25 volte di più rispetto agli ioni di grafite. Tuttavia, queste batterie soffrono di bassa conduttività elettrica, velocità di diffusione lenta e grandi fluttuazioni volumetriche durante la litiazione. Queste limitazioni determinano la polverizzazione del Si e l'instabilità dell'interfase dell'elettrolita solido (SEI).

Per aggirare queste sfide sono state utilizzate due strategie principali: la nanotecnologia e il rivestimento in carbonio. Nel primo metodo vengono utilizzati vari anodi di Si di dimensioni nanometriche, che hanno un'elevata area superficiale, una migliore durata del ciclo e stabilità di velocità rispetto agli anodi di Si sfuso. Possono anche resistere alla litiazione e alla delitiazione senza rompersi. Il rivestimento in carbonio utilizza una combinazione di Si nanometrico con diverse forme di materiali di carbonio per la generazione di anodi nanocompositi Si/C ad alte prestazioni. Recentemente, il carbonio drogato con eteroatomi come agenti di rivestimento ha suscitato molto interesse. Gli elettrodi Si-C drogati con eteroatomi legano gli ioni Li in modo più forte rispetto agli atomi di carbonio, garantendo prestazioni elettrochimiche eccellenti con conduttività elettrica stabile.

Le batterie a base di silicio hanno suscitato molto interesse commerciale grazie al loro potenziale di costi bassi e funzionalità migliorate per automobili e smartphone. La concorrenza è feroce, con molte aziende startup, tra cui Sila Nanotechnologies, Enovix, Angstron Materials ed Enevate, che commercializzano batterie agli ioni di litio a predominanza di Si.

Una delle alternative più promettenti alle batterie al litio-zolfo sono le batterie al sodio-zolfo, a causa delle proprietà fisiche e chimiche simili degli ioni Na e Li. Tuttavia, per il funzionamento della batteria è necessaria una temperatura elevata (>300°C). Come alternativa promettente, il sistema di batterie RT-NaS a basso costo ha suscitato un vasto interesse di ricerca per l’uso in applicazioni di rete su larga scala con maggiore sicurezza. Tuttavia, a causa delle reazioni complesse all’interno della batteria, le batterie RT-NaS soffrono di una capacità teorica inferiore.

Nel 2018 sono stati utilizzati vari approcci per risolvere i problemi delle batterie RT-NaS.

Un nuovo approccio alle batterie ricaricabili. Batteria RT-NaS con membrana in rete metallica. MIT

Illustrazione schematica della sintesi del carbonio cavo decorato con nanoparticelle di cobalto. Natura

Illustrazione schematica degli elettroliti con NaTFSI 1M convenzionale nell'elettrolita PC e (a destra) 2MNaTFSI in PC:FEC con elettrolita additivo InI3 10 mM. Natura

Sebbene le batterie RT-NaS siano ancora nella fase iniziale di sviluppo, aziende come Ambri, una società spin-out del MIT guidata dal dottor Sadoway, sta lavorando per migliorare la progettazione della batteria. La prossima generazione di tecnologie di stoccaggio dell’energia basate su NaS potrebbe presto diventare una realtà grazie agli sforzi di ricerca e agli approcci in corso discussi sopra.

Molti sforzi di ricerca sono stati dedicati alla generazione di celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM) ad alte prestazioni. Tuttavia, la fattibilità delle celle a combustibile PEM è stata una sfida a causa dei costi elevati, del trasporto e dello stoccaggio del gas idrogeno.