Arriva dalla Cina l’ultimo sforzo per rendere le batterie a ioni di alluminio competitive con la tecnologia tradizionale a ioni di litio. Un gruppo di scienziati, provenienti dall’Istituto di tecnologia di Pechino, dall’Università di scienza e tecnologia di Pechino e dall’Università di tecnologia di Lanzhou, ha messo mano alla struttura interna ottenendo una durata senza precedenti senza perdite di capacità. Un nuovo design che, come spiegano gli stessi scienziati “mostra il potenziale per un sistema di accumulo di energia duraturo, conveniente e ad alta sicurezza”.
Batterie agli ioni di alluminio, cosa sono e come funzionano?
Le batterie a ioni di alluminio (Al-ion) sono dispositivi di accumulo elettrochimico che impiegano ioni di alluminio come portatori di carica. In realtà questa tecnologia nasce come pila primaria; è stata resa ricaricabile abbastanza recentemente con l’aggiunta di elettroliti a liquidi ionici non acquosi, composti che impediscono all’alluminio di formare un rivestimento di ossido passivante, fattore che rendeva impossibili i cicli di carica/scarica.
Concettualmente simili alle batterie a ioni di litio, queste batterie presentano sia vantaggi che svantaggi.
Nella versione con elettrolita a liquidi ionici, i vantaggi sono
- Basso costo: l’alluminio è l’elemento metallico più abbondante nella crosta terrestre.
- Bassa infiammabilità: grazie agli elettroliti a liquidi ionici.
- Ampia adattabilità alla temperatura.
- Elevata densità energetica teorica: 1060 Wh/kg per le Al-ion rispetto al limite di 406 Wh/kg delle batterie agli ioni di litio.
Gli svantaggi:
- Sensibilità all’umidità: gli elettroliti liquidi ionici convenzionali offrono una spiccata suscettibilità al vapore acqueo e una forte corrosività, portando alla perdita degli elettroliti stessi.
- Pessimo contatto interfacciale.
- Breve durata: la corrosione interna porta inevitabilmente ad una scarsa stabilità e a un calo delle prestazioni elettriche nel tempo.
Batterie ioni di alluminio allo stato solido
Per superare questi problemi negli ultimi anni sono stati sperimentati diversi elettroliti allo stato solido o semisolido, andando però incontro ad altri tipi di ostacoli. Come la bassa conduttività ionica, le scarse prestazioni di velocità o processi di fabbricazione troppo costosi.
È qui che si inserisce il nuovo studio cinese. Gli scienziati hanno sintetizzato un innovativo elettrolita solido per le batterie in alluminio ricaricabili che apparentemente potrebbe sciogliere gli ultimi nodi. Il composto è infatti caratterizzato da elevata conduttività ionica (7,0 mS/cm), elevato numero di trasferimento anioni-ioni, bassi costi di produzione e ridotta sensibilità all’umidità.
Il trucco per realizzarlo? Aggiungere un sale di fluoruro di alluminio inerte a un elettrolita contenente ioni di alluminio, per trasformarlo in un elettrolita allo stato solido. Il sale in questione possiede una struttura porosa 3D che consente agli ioni di saltare facilmente attraverso l’elettrolita, aumentando la conduttività. Inoltre il team ha impiegato il carbonato di fluoroetilene come additivo di interfaccia per creare un sottile rivestimento solido sugli elettrodi per prevenire l’eventuale formazione di cristalli di alluminio.
Le nuove prestazioni della batteria all’alluminio
In fase di test la nuova batteria a ioni di alluminio allo stato solido ha mostrato decisi miglioramenti nella resistenza all’umidità e nella stabilità fisica e termica. E anche una durata eccezionalmente lunga, raggiungendo ben 10.000 cicli di carica-scarica e una perdita inferiore all’1% della sua capacità originale.
Ciliegina sulla torta: la maggior parte del fluoruro di alluminio potrebbe essere recuperato con un semplice lavaggio e poi riciclato in un’altra batteria con prestazioni leggermente ridotte. Riducendo in questo modo i costi di produzione.
I ricercatori sottolineano tuttavia che saranno necessari ulteriori miglioramenti nella densità energetica e nel ciclo di vita prima della commercializzazione. La ricerca è stata pubblicata su ACS Central Science (testo in inglese).
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