Un catodo a base di acido polilattico biodegradabile per la batteria riciclabile di domani
(Rinnovabili.it) – Arriva dalla Scozia, e più precisamente dall’Università di Glasgow, la nuova batteria riciclabile stampata in 3D. Nel tentativo di realizzare sistemi di accumulo più sostenibili ed efficienti, un team di ingegneri ha messo mano al design e al processo di fabbricazioni degli elettrodi nella tecnologia a ioni di litio. E si è rivolto al mondo vegetale per reperire una delle materie prime impiegate. Sono nati così i primi catodi a base di amido ad alta porosità; una soluzione che offre un’interessante capacità specifica ed areale.
Come molte altre batterie, quelle agli ioni di litio possiedo un elettrodo positivo (catodo), spesso costituito da ossido di litio cobalto / manganese o fosfato di ferro e litio, e un elettrodo negativo (anodo), spesso realizzato in metallo di litio. Uno dei limiti fisici rispetto la quantità di energia che i modelli attuali possono immagazzinare e rilasciare si trova nello spessore di questi elementi. Più spessi sono, minore sarà la diffusione degli ioni di litio. E di conseguenza l’energia specifica. Al tempo stesso elettrodi spessi possono migliorare sostanzialmente il caricamento del materiale attivo riducendo al minimo il rapporto dei componenti inattivi.
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Per trovare il giusto punto di equilibrio per la loro batteria riciclabile, il gruppo ha rivisto completamente architettura del catodo. L’idea di partenza era quella di crivellare la superficie e l’interno dell’elettrodo con con minuscoli fori per aumentarne la superficie rispetto a un elettrodo solido delle stesse dimensioni esterne. Per fare ciò, hanno utilizzato una tecnica di produzione additiva controllando in maniera accurata dimensioni e posizionamento di ogni singolo poro. Hanno caricato la loro stampante 3D con un nuovo materiale che combina acido polilattico elaborato dall’amido vegetale, litio-ferro fosfato e nanotubi di carbonio. In questo modo hanno ottenuto catodi circolari a tre diversi spessori: 100, 200 e 300 micron. Ogni elettrodo è stato testato con diverse combinazioni di materiali, variando la quantità di nanotubi di carbonio nella miscela e la porosità.
La batteria con elettrodo da 300 micron e una porosità del 70% ha fornito i risultati migliori durante i test, con una capacità specifica di 151 mAh per grammo, la misura standard di quanta carica può contenere una batteria. Si tratta di circa due o tre volte le prestazioni di una tradizionale batteria agli ioni di litio con un elettrodo solido dello stesso spessore.
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La maggiore porosità, e quindi la maggiore superficie dell’elettrodo ha influenzato anche la capacità areale del dispositivo. L’elettrodo più spesso era in grado di immagazzinare 4,4 mAh per cm2 rispetto a 1,7 mAh/cm2 ottenuti nell’elettrodo da 100 micron. Un guadagno del 158 per cento. “Il processo di stampa 3D che abbiamo utilizzato in questa ricerca ci offre una notevole quantità di controllo sulla porosità degli elettrodi”, spiega il dottor Shanmugam Kumar a capo della ricerca. “In questo modo possiamo progettare in modo molto preciso un nuovo metamateriale in grado di affrontare alcune delle carenze dell’attuale generazione di batterie agli ioni di litio. Abbiamo creato una batteria con un’elevata capacità specifica e capacità areale con eccellente ciclabilità”. La ricerca è stata pubblicata su Journal of Power Sources.