Per rendere le potenti batterie al litio-aria adatte all'uso quotidiano

Le batterie agli ioni di litio sono considerate una componente importante di un futuro neutrale dal punto di vista climatico. Le cosiddette batterie litio-aria, invece, sono poco conosciute, soprattutto perché hanno una durata molto limitata. Tuttavia, questi tipi di batterie sono imbattibili sotto un aspetto: la loro densità energetica. A parità di peso, dovrebbe essere teoricamente possibile immagazzinare con esse una quantità di energia dieci volte superiore a quella delle batterie agli ioni di litio convenzionali - quasi la stessa quantità per chilogrammo dei combustibili fossili. Sarebbe un sogno che si avvera per la mobilità elettrica. Tuttavia, queste batterie perdono molta capacità dopo pochi cicli di ricarica.

Per superare questo problema, i ricercatori del PSI hanno sperimentato un approccio innovativo. Hanno aggiunto alla batteria una miscela di ossido di nichel e biossido di zirconio. I due materiali agiscono come catalizzatori nella batteria, impedendo la deposizione di prodotti chimici che si formano durante l'uso e che danneggiano la batteria. Utilizzando fasci di neutroni e luce di sincrotrone, i ricercatori sono riusciti a visualizzare i processi chimici nella batteria durante la carica e la scarica, mostrando così il funzionamento del catalizzatore. I risultati sono stati pubblicati nel numero attuale della rivista scientifica Small Methods.

Flusso di corrente grazie all'alimentazione ad aria

Dovrebbero essere leggere come l'aria. A differenza delle tradizionali batterie agli ioni di litio, le batterie litio-aria non necessitano di grafite massiccia come materiale elettrodico ma, come suggerisce il nome, solo di aria - o più precisamente dell'ossigeno che contiene. Una nanostruttura leggera e porosa assicura che l'ossigeno dell'aria ambientale in entrata sia reso disponibile per una reazione chimica, che i ricercatori chiamano riduzione.

Quando gli ioni di litio si spostano dal polo negativo a quello positivo della batteria, reagiscono con l'ossigeno per formare l'ossido di litio - l'elettricità scorre. Durante la ricarica, il processo si inverte nuovamente: il litio si separa dall'ossigeno e torna al polo negativo.

Un convertitore catalitico familiare reinterpretato

L'assenza di grafite e di altri metalli rende le batterie litio-aria particolarmente leggere e compatte, nonostante la loro elevata capacità. Tuttavia, questo rivela anche la loro debolezza, poiché la nanostruttura utilizzata, necessaria per la riduzione dell'ossigeno, è molto suscettibile ai sottoprodotti.

Oltre all'ossigeno, anche altri componenti dell'aria ambiente reagiscono con il litio e la formazione di idrossido di litio, ad esempio, può compromettere significativamente la capacità complessiva della batteria e ridurne la durata. "I minuscoli fori della nanostruttura sono letteralmente intasati da questi sottoprodotti", spiega Dario Ferreira Sanchez, scienziato del PSI. "Di conseguenza, l'aria non può più circolare e la batteria si rompe".

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno aggiunto uno speciale catalizzatore alla cella della batteria. "È noto in letteratura che l'ossido di nichel e il biossido di zirconio favoriscono l'accumulo di ossigeno, che in realtà è esattamente ciò che vogliamo nelle batterie litio-aria", spiega Chayene Gonçalves Anchieta, primo autore dello studio. "Con nostro grande stupore, però, non siamo riusciti a trovare nessuno studio su questo argomento. Così abbiamo provato". E con successo. Il team è riuscito a dimostrare che l'aggiunta del catalizzatore facilita la decomposizione dell'idrossido di litio durante il processo di scarica.

Una visione unica grazie a metodi complementari

Il passo successivo è stato quello di esaminare più da vicino le reazioni chimiche. "È particolarmente impegnativo analizzare le batterie perché sono composte da molti elementi in una grande varietà di disposizioni", spiega Dario Ferreira Sanchez. "Mentre gli elementi pesanti con struttura cristallina possono essere fotografati particolarmente bene con la diffrazione dei raggi X, il litio leggero e amorfo rimane praticamente invisibile". Per ottenere un quadro complessivo, i ricercatori hanno dovuto combinare diversi metodi. "Qui al PSI questo è assolutamente unico", afferma entusiasta Sanchez. "In questo laboratorio si misura un aspetto, a cento metri di distanza si misura l'altro, e alla fine si combina tutto in un quadro generale".

Con la diffrazione dei raggi X presso la Swiss Light Source SLS, hanno trovato uno strumento adatto a mappare i processi chimici della batteria mentre è in funzione. Ogni tipo di atomo può formare una propria disposizione spaziale regolare, la cosiddetta struttura cristallina. Quando la luce dei raggi X la colpisce, interagisce in modo diverso a seconda della disposizione degli atomi - un'impronta digitale dell'elemento presente. L'imaging temporale durante il funzionamento della batteria consente di localizzare e tracciare con precisione il rispettivo elemento, ad esempio dove si accumula o scompare di nuovo.

Per visualizzare le strutture non cristalline o amorfe, i ricercatori hanno combinato la loro gamma di strumenti con la tomografia a raggi X. Questo metodo di imaging funziona in modo simile a quello della tomografia a raggi infrarossi. Questo metodo di imaging funziona in modo simile alla tomografia computerizzata negli ospedali e fornisce una visione tridimensionale della batteria e di tutti i suoi componenti. Mancava solo il litio.

"I neutroni sono particolarmente sensibili al litio", spiega Sanchez. "Così abbiamo portato il nostro campione alla sorgente svizzera di neutroni a spallazione SINQ". Qui, l'oggetto è stato illuminato da diverse angolazioni con un fascio di neutroni e assemblato in un'immagine tridimensionale utilizzando tecniche di tomografia. "Grazie alle nostre immagini di diffrazione, eravamo già in grado di ipotizzare dove avrebbe dovuto trovarsi il litio. Ma tutto ciò che vedevamo era un punto vuoto", ricorda Sanchez. "È stato solo in combinazione con le immagini neutroniche che abbiamo capito: Wow, dopotutto c'è molto in quel punto vuoto".

L'uso di catalizzatori a base di ossido di nichel e biossido di zirconio nelle batterie litio-aria rappresenta un passo significativo verso la realizzazione del pieno potenziale di questa tecnologia. Tuttavia, è ancora troppo presto per la realizzazione industriale: è necessario superare una serie di ostacoli ingegneristici.

Testo: Istituto Paul Scherrer/Benjamin A. Senn

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