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Nov 30, 2023

Usare la combustione per produrre batterie migliori

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Per più di un secolo, gran parte del mondo ha funzionato grazie alla combustione di combustibili fossili. Ora, per scongiurare la minaccia del cambiamento climatico, il sistema energetico sta cambiando. In particolare, i sistemi solari ed eolici stanno sostituendo la combustione di combustibili fossili per generare elettricità e calore, e le batterie stanno sostituendo il motore a combustione interna per alimentare i veicoli. Con il progredire della transizione energetica, i ricercatori di tutto il mondo stanno affrontando le numerose sfide che si presentano.

Sili Deng ha trascorso la sua carriera pensando alla combustione. Ora professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT e professore di sviluppo professionale nel 1954, Deng guida un gruppo che, tra le altre cose, sviluppa modelli teorici per aiutare a comprendere e controllare i sistemi di combustione per renderli più efficienti e per controllare la formazione delle emissioni, comprese le particelle di fuliggine.

"Così abbiamo pensato, dato il nostro background nel campo della combustione, qual è il modo migliore in cui possiamo contribuire alla transizione energetica?" dice Deng. Considerando le possibilità, nota che la combustione si riferisce solo al processo, non a ciò che brucia. "Mentre generalmente pensiamo ai combustibili fossili quando pensiamo alla combustione, il termine 'combustione' comprende molte reazioni chimiche ad alta temperatura che coinvolgono ossigeno e in genere emettono luce e grandi quantità di calore", afferma.

Data questa definizione, ha visto un altro ruolo per le competenze che lei e il suo team hanno sviluppato: potrebbero esplorare l’uso della combustione per produrre materiali per la transizione energetica. In condizioni attentamente controllate, le fiamme di combustione possono essere utilizzate per produrre fuliggine non inquinante, ma materiali piuttosto preziosi, inclusi alcuni fondamentali nella produzione di batterie agli ioni di litio.

Migliorare la batteria agli ioni di litio riducendo i costi

Si prevede che la domanda di batterie agli ioni di litio salirà alle stelle nei prossimi decenni. Le batterie saranno necessarie per alimentare la crescente flotta di auto elettriche e per immagazzinare l’elettricità prodotta dai sistemi solare ed eolico in modo che possa essere consegnata in un secondo momento quando tali fonti non sono più in grado di generare. Alcuni esperti prevedono che la domanda globale di batterie agli ioni di litio potrebbe aumentare di dieci volte o più nel prossimo decennio.

Date tali previsioni, molti ricercatori sono alla ricerca di modi per migliorare la tecnologia delle batterie agli ioni di litio. Deng e il suo gruppo non sono scienziati dei materiali, quindi non si concentrano sulla creazione di nuovi e migliori prodotti chimici per le batterie. Invece, il loro obiettivo è trovare un modo per ridurre gli alti costi di produzione di tutte quelle batterie. E gran parte del costo di produzione di una batteria agli ioni di litio può essere ricondotto alla produzione dei materiali utilizzati per realizzare uno dei suoi due elettrodi: il catodo.

I ricercatori del MIT hanno iniziato la loro ricerca di risparmi sui costi considerando i metodi ora utilizzati per produrre materiali catodici. Le materie prime sono in genere sali di diversi metalli, compreso il litio, che fornisce ioni, le particelle caricate elettricamente che si muovono quando la batteria viene caricata e scaricata. La tecnologia di elaborazione mira a produrre minuscole particelle, ciascuna costituita da una miscela di tali ingredienti, con gli atomi disposti nella specifica struttura cristallina che fornirà le migliori prestazioni nella batteria finita.

Negli ultimi decenni, le aziende hanno prodotto questi materiali catodici utilizzando un processo in due fasi chiamato coprecipitazione. Nella prima fase, i sali metallici – escluso il litio – vengono sciolti in acqua e miscelati accuratamente all’interno di un reattore chimico. Vengono aggiunti prodotti chimici per modificare l'acidità (il pH) della miscela e le particelle costituite dai sali combinati precipitano dalla soluzione. Le particelle vengono quindi rimosse, essiccate, macinate e messe al setaccio.

Un cambiamento nel pH non provoca la precipitazione del litio, quindi viene aggiunto nella seconda fase. Il litio solido viene macinato insieme alle particelle dal primo stadio finché gli atomi di litio non permeano le particelle. Il materiale risultante viene quindi riscaldato, o "ricotto", per garantire una miscelazione completa e ottenere la struttura cristallina desiderata. Infine, le particelle attraversano un "deagglomeratore" che separa le particelle che si sono unite tra loro, e il materiale catodico emerge.