Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici e negli smartphone perché sono leggere, affidabili ed efficienti dal punto di vista energetico. Tuttavia, hanno tempi di ricarica lenti e non possono gestire picchi di corrente elevati. In una recente ricerca, il team di Cornell Engineering ha sviluppato una batteria al litio per veicoli elettrici che può caricarsi completamente in 5 minuti. Il prototipo di una di queste batterie a ricarica rapida.
Il team di ingegneri della Cornell University ha sviluppato una nuova batteria al litio. Si ricarica in meno di 5 minuti , più velocemente di qualsiasi altra batteria attualmente disponibile. Inoltre, mantiene prestazioni stabili durante i cicli di carica e scarica prolungati. Questa recente scoperta potrebbe alleviare l'ansia da autonomia degli automobilisti, riducendo le preoccupazioni relative all'autonomia limitata dei veicoli elettrici e agli inconvenienti dei lunghi tempi di ricarica.
I ricercatori hanno scoperto che l'indio, un metallo morbido comunemente usato per schermi touchscreen e pannelli solari, ha un potenziale eccezionalmente elevato come materiale per batterie a carica rapida. Ciò è dovuto alle sue velocità di trasporto allo stato solido intrinseche e ai bassi numeri di Damköhler. Inoltre, l'indio funge da valida alternativa al piombo nella saldatura a bassa temperatura.
Il professor Lynden Archer , preside della facoltà di ingegneria della Cornell University e responsabile del progetto, ha dichiarato: "L'ansia da autonomia rappresenta un ostacolo maggiore all'elettrificazione dei trasporti rispetto a qualsiasi altro ostacolo, come il costo e le prestazioni delle batterie, e noi abbiamo individuato una soluzione per eliminarla grazie a una progettazione razionale degli elettrodi".
Il professor Archer ha inoltre aggiunto: "Se si potesse ricaricare la batteria di un veicolo elettrico in cinque minuti, beh, non ci sarebbe bisogno di una batteria abbastanza grande da garantire un'autonomia di 300 chilometri. Ci si potrebbe accontentare di una più piccola, il che potrebbe ridurre il costo dei veicoli elettrici e favorirne una maggiore diffusione".
Shuo Jin , autore principale dello studio e dottorando in ingegneria chimica e biomolecolare, ha dichiarato: "Il nostro obiettivo era creare design di elettrodi per batterie che si caricassero e scaricassero in modo compatibile con la routine quotidiana. In termini pratici, desideriamo che i nostri dispositivi elettronici si carichino rapidamente e funzionino per periodi prolungati. Per raggiungere questo scopo, abbiamo identificato un materiale anodico a base di indio unico che può essere efficacemente abbinato a diversi materiali catodici per creare una batteria che si carica rapidamente e si scarica lentamente ".
Come funziona
Per la loro nuova batteria al litio, i ricercatori hanno adottato un approccio unico, ponendo l'accento sulla cinetica delle reazioni elettrochimiche. In particolare, hanno utilizzato un concetto dell'ingegneria chimica noto come numero di Damköhler . Questo concetto quantifica essenzialmente la velocità con cui avvengono le reazioni chimiche rispetto al trasporto dei materiali al sito di reazione.
Le ultime ricerche rivelano che l'indio possiede due caratteristiche cruciali come anodo di batteria. Sono le seguenti:
- Un'eccezionale bassa barriera energetica di migrazione, che determina la velocità con cui gli ioni diffondono nello stato solido
- A densità di corrente di scambio moderata, che influisce sulla velocità con cui gli ioni vengono ridotti nell'anodo.
La sinergia di queste caratteristiche, ovvero la rapida diffusione e la lenta cinetica di reazione superficiale, è fondamentale per una carica rapida e uno stoccaggio prolungato.
Il professor Archer ha affermato: "L'innovazione chiave consiste nella scoperta di un principio di progettazione che permette agli ioni metallici all'anodo di una batteria di muoversi liberamente, trovare la configurazione corretta e solo allora partecipare alla reazione di accumulo di carica. Il risultato finale è che in ogni ciclo di carica, l'elettrodo si trova in uno stato morfologico stabile. È proprio questo che conferisce alle nostre nuove batterie a ricarica rapida la capacità di caricarsi e scaricarsi ripetutamente per migliaia di cicli."
La batteria al litio per veicoli elettrici, in grado di ricaricarsi completamente in 5 minuti, utilizza questa tecnologia in combinazione con la ricarica a induzione wireless su strada. Ciò potrebbe ridurre significativamente le dimensioni e il costo delle batterie , rendendo ulteriormente il trasporto elettrico una scelta più praticabile per gli automobilisti. Tuttavia, questo non implica che gli anodi di indio siano perfetti o pratici.
“Sebbene questo risultato sia entusiasmante, in quanto ci insegna come ottenere batterie a ricarica rapida, l'indio è pesante. Qui risiede un'opportunità per la modellazione chimica computazionale, magari utilizzando strumenti di intelligenza artificiale generativa, per scoprire quali altre composizioni chimiche di materiali leggeri potrebbero raggiungere gli stessi numeri di Damköhler intrinsecamente bassi. Ad esempio, esistono leghe metalliche che non abbiamo mai studiato, che possiedono le caratteristiche desiderate? È da qui che deriva la mia soddisfazione: dal fatto che esista un principio generale che permette a chiunque di progettare un anodo per batterie migliore, in grado di raggiungere velocità di ricarica superiori rispetto alla tecnologia all'avanguardia”, ha aggiunto il Prof. Archer.
Fonte : La batteria al litio a ricarica rapida punta a eliminare l'"ansia da autonomia"
