La batteria al litio-CO₂ cattura il carbonio mentre alimenta i dispositivi

Gli ingegneri dell'Università del Surrey hanno introdotto una batteria al litio-CO2 che rimuove l'anidride carbonica dall'aria durante il suo normale funzionamento. Il design aggiornato della batteria ha il potenziale per superare le prestazioni dei suoi predecessori, contribuendo al contempo a combattere l'inquinamento e i cambiamenti climatici. Ecco cosa c'è da sapere.

Perché le batterie agli ioni di litio non sono sufficienti per l'energia verde

Il futuro è wireless e i produttori sono consapevoli della crescente domanda di soluzioni per batterie pulite. Le batterie più comuni oggi sono quelle agli ioni di litio. Queste batterie si trovano nei dispositivi di uso quotidiano, come cellulari, veicoli elettrici e smartwatch. Le batterie agli ioni di litio offrono una densità e un numero di cicli di carica adeguati e sono convenienti. Tuttavia, non sono sostenibili e rimangono un importante inquinante nelle discariche di tutto il mondo.

Le principali sfide delle batterie agli ioni di litio: sicurezza, costi e sprechi

Le batterie agli ioni di litio presentano diversi problemi che ne hanno limitato l'efficacia e l'efficienza. Innanzitutto, richiedono l'uso di costosi materiali derivati ​​dalle terre rare. Risorse come il platino sono difficili da reperire e aumentano notevolmente i costi del processo produttivo. Inoltre, la domanda di minerali derivati ​​dalle terre rare è diventata un problema di sicurezza per le nazioni che ora cercano di assicurarsi ampie scorte di questi beni essenziali.

Anche le batterie agli ioni di litio soffrono di una ridotta durata. Il design di queste batterie comporta una perdita di energia a ogni ciclo di carica. Di conseguenza, le prestazioni delle batterie agli ioni di litio si riducono a ogni ciclo. Inoltre, sono molto costose da smaltire e possono rappresentare un rischio per la sicurezza se caricate in modo improprio o in caso di runaway termico.

Il termine "runaway termico" si riferisce al surriscaldamento delle celle delle batterie agli ioni di litio, che causa lo stesso fenomeno anche nelle celle circostanti. Il risultato è una fusione di massa che può causare incendi o persino esplosioni. I danni causati da questi eventi sono stati ampiamente documentati. Una semplice ricerca metterà in luce una lunga storia di incendi di batterie agli ioni di litio in tutto il mondo.

Potenziale eccessivo

Un'altra preoccupazione per gli utenti di batterie agli ioni di litio è la sovratensione. Questo termine si riferisce alla quantità di energia utilizzata per avviare una reazione chimica e caricare la batteria. I sistemi agli ioni di litio soffrono di un'elevata sovratensione. Tuttavia, tutto questo sta per cambiare grazie ad alcuni ingegnosi scienziati.

Cosa sono le batterie al litio-CO₂ e come funzionano?

Le batterie al litio-CO2 si sono affermate come un'alternativa interessante. Queste batterie ricaricabili utilizzano la CO2 come vettore energetico. Questa struttura offre importanti vantaggi, come prestazioni migliorate, maggiore capacità e una qualità dell'aria più pulita. Di conseguenza, molti ritengono che le batterie al litio-CO2 rappresentino la soluzione migliore per raggiungere emissioni di carbonio nette pari a zero in futuro.

Svantaggi delle attuali batterie al litio-CO2

Uno dei principali svantaggi dell'attuale utilizzo delle batterie Li-CO2 è la mancanza di catalizzatori affidabili e a basso costo. Consapevoli di questo fatto, gli ingegneri hanno creato una nuova versione che integra i recenti progressi nella scienza dei materiali e nella modellazione computerizzata. Il nuovo approccio promette di affrontare due problemi contemporaneamente: il consumo energetico e la qualità dell'aria.

Studio rivoluzionario sulle batterie al litio-CO₂ dell'Università del Surrey

Lo studio¹, "Sovratensione ultrabassa nelle batterie ricaricabili Li-CO2 abilitata dal fosfomolibdato di cesio come efficace catalizzatore redox,” pubblicato in Advanced Science, approfondisce “respirazione"batterie". Questi dispositivi utilizzano la CO2 per interagire con un catalizzatore appositamente progettato, creando un circuito di energia pulita.

Batterie al litio-CO2 smantellate

Nell'ambito del loro processo, gli ingegneri hanno creato diverse batterie Li-CO2 con catalizzatori diversi. Hanno quindi sottoposto le batterie a migliaia di cicli di carica, equivalenti ad anni di utilizzo quotidiano. Dopo il ciclo, hanno quindi smontato le unità per comprendere più a fondo cosa si verificasse in termini di degradazione, accumulo e altri fattori che limitavano le prestazioni. In particolare, il team ha notato che si formavano depositi di carbonato di litio, che potevano essere facilmente rimossi per consentire alla batteria di migliorare il suo ciclo di carica.

Fonte - Scuola di Chimica e Ingegneria Chimica del Surrey e Istituto di Tecnologia Avanzata

Modello di computer per batterie al litio-CO2

I ricercatori hanno utilizzato i dati ottenuti dai loro esperimenti per creare un modello computerizzato accurato. Il modello utilizza la teoria del funzionale della densità (DFT) per prevedere dettagli e cambiamenti critici. Il modello ha migliorato la capacità del team di condurre esperimenti mentali e ha aiutato il team a ridurre i costi totali, ampliando al contempo i test. L'obiettivo era utilizzare il modello per trovare il materiale migliore per creare una struttura porosa stabile in grado di supportare le reazioni chimiche che fanno funzionare le batterie al litio.

Fosfomolibdato di cesio (CPM)

Dopo alcuni test, gli ingegneri hanno determinato che il fosfomolibdato di cesio (Cs3PMo12O40, CPM) era un'opzione promettente. Gli ingegneri hanno applicato il CPM come catalizzatore nelle batterie Li-CO2 e hanno poi condotto diversi test. Per creare il CPM, gli ingegneri hanno sintetizzato i catalizzatori e rivestito un catodo.

Il materiale si è rivelato ideale perché presentava numerosi siti elettroattivi e una superficie arricchita di ossigeno. Inoltre, il composito presenta una morfologia mesoporosa unica che ne aumenta la durata e le prestazioni durante i cicli di carica, il che significa che queste batterie consumano meno energia per ricaricarsi rispetto ai loro predecessori.

Questo poro CPM è ideale perché supporta un'efficiente diffusione delle molecole di CO2 e degli ioni Li+ verso i siti attivi. Inoltre, i pori svolgono un'altra funzione: ospitare i prodotti di scarica. In particolare, le strutture cristalline misurano solo 140 nm.

Diffrazione dei raggi X su polvere (PXRD)

Gli ingegneri hanno esaminato la struttura e la composizione del reticolo cristallino del catalizzatore CPM sintetizzato utilizzando un metodo di diffrazione dei raggi X su polveri. Questo strumento funziona focalizzando i raggi X sulla struttura e analizzandone il pattern di diffrazione.

Trasformata di Fourier infrarossa (FTIR)

Il passo successivo è stato determinare quale energia fosse stata assorbita o emessa a causa dei processi. Gli ingegneri hanno utilizzato una spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier per raggiungere questo obiettivo. Il team ha rilevato la presenza di particelle di keggin durante il processo, in linea con le previsioni del loro modello computazionale.

Unità Keggin

Il team ha dedicato molti sforzi per determinare se la loro creazione avesse unità Keggin integrate nella sua superficie. Le unità Keggin si riferiscono a una struttura cristallina nota per la sua robustezza e stabilità strutturale. È la configurazione ideale per le batterie perché mantiene la sua struttura durante il ciclo di ciclaggio.

Spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS)

Il team ha utilizzato la spettroscopia fotoelettronica a raggi X per comprendere più a fondo lo stato chimico del catalizzatore durante e dopo il processo. Hanno determinato con precisione la composizione elementare della superficie e l'hanno modificata per ottimizzare le prestazioni e la longevità della batteria.

Termogravimetria (TG)

Il passo successivo è stato determinare se l'umidità entrasse nel sistema o fosse prodotta come sottoprodotto. I ricercatori hanno utilizzato la termogravimetria per valutare il contenuto d'acqua nel composito CPM. Il test ha rivelato che il nuovo design potrebbe supportare lo sviluppo di batterie ad alta densità.

Test delle batterie al litio-CO2

Una serie di esperimenti di laboratorio ha aiutato gli ingegneri a verificare ulteriormente le loro previsioni. Il team ha eseguito simulazioni fisiche e al computer per valutare la capacità elettrocatalitica del catalizzatore CPM di migliorare la cinetica di CRR/CER. Hanno determinato che la sua struttura presenta alcune caratteristiche uniche che la rendono ideale per l'uso come catalizzatore.

Risultati dei test sulle batterie al litio-CO2

I risultati dei test sono stati sorprendenti. La nuova struttura della batteria ha funzionato senza problemi. Il team ha eseguito 100 cicli a 50 mA g−1 con una limitazione di capacità di 500 mAh g−1. Hanno notato che il dispositivo poteva immagazzinare più energia ed era più facile da caricare rispetto alle tradizionali opzioni agli ioni di litio. Incredibilmente, le batterie aggiornate hanno dimostrato un'eccellente capacità di scarica di 15440 mAh g−1 a 50 mA g−1 con un'efficienza coulombiana del 97.3%. Inoltre, il catalizzatore ha fornito una bassa sovratensione di 0.67 V.

Questi dati hanno dimostrato che il nuovo design è molto più efficace del catalizzatore tradizionale. In particolare, offre una maggiore capacità di scarica-carica e una minore sovratensione. Inoltre, il design della batteria Li-CO2 supporta una lunga stabilità di 107 cicli a 50 mA g−1 con una capacità limitata di 500 mAh g−1.

I principali vantaggi delle batterie al litio-CO₂ per l'energia pulita

Le batterie al litio-CO2 offrono numerosi vantaggi al mercato. Innanzitutto, offrono agli utenti un'alternativa pulita alle batterie agli ioni di litio, che continuano a riempire le discariche. Questo nuovo approccio riduce al contempo i rifiuti e le emissioni di gas serra, aprendo le porte all'industria delle batterie per apportare significativi miglioramenti e ridurre al contempo l'inquinamento.

Capacità maggiore

Il rapporto mostra che le batterie al litio-CO2 possono offrire una capacità maggiore rispetto ai modelli precedenti. Inoltre, hanno una sovratensione molto più bassa, il che significa che consumano molta meno energia per la ricarica. L'approccio di ricarica meno intenso prolunga il ciclo di vita della batteria senza ridurne le prestazioni.

Le batterie al litio-CO2 sono più convenienti.

Un altro motivo per cui produttori e consumatori di batterie potrebbero assistere a un improvviso afflusso di opzioni al litio-CO2 è che offrono un processo produttivo più conveniente. Combinando i costi di produzione ridotti con le minori emissioni, l'alternativa al litio-CO2 sembra un modo pratico per immagazzinare energia pulita.

Le batterie al litio-CO2 sono più scalabili

I ricercatori hanno garantito che il loro lavoro potesse essere scalabile per soddisfare le esigenze della comunità. Esiste una forte domanda di opzioni di energia pulita per alimentare i dispositivi portatili. Gli ingegneri considerano questo sviluppo di batterie come un aggiornamento che consente di ridurre i costi e offre l'ulteriore vantaggio di intrappolare la CO2, un gas serra nocivo.

Le batterie al litio-CO2 sono più efficienti.

L'efficienza è un altro vantaggio delle batterie al litio-CO2 rispetto ad altre soluzioni. Questi alimentatori di nuova generazione saranno in grado di funzionare in modo efficiente in una vasta gamma di casi d'uso. Le unità offrono una maggiore capacità energetica e possono essere scalate per garantire la massima adattabilità all'applicazione.

Nessun metallo delle terre rare

Le terre rare sono una risorsa limitata il cui valore continua a crescere. Esistono già dazi doganali e altre normative in vigore per cercare di proteggere l'accesso alle terre rare da parte delle superpotenze mondiali. La decisione degli ingegneri di eliminare la necessità di questi minerali nella progettazione delle loro batterie potrebbe essere uno dei motivi principali del successo di questa tecnologia.

Applicazioni pratiche delle batterie al litio-CO₂ e quando aspettarsele

Esistono numerose applicazioni per batterie più ecologiche. Il mondo ha bisogno di alternative pulite in grado di alimentare il crescente numero di sistemi wireless in uso quotidiano. Un giorno, le batterie al litio-CO2 potrebbero alimentare la vostra casa, la vostra auto e i vostri dispositivi, contribuendo al contempo a ridurre le emissioni nocive di gas serra.

Viaggio spaziale

I viaggi spaziali rappresentano un'altra applicazione di questa tecnologia. Mentre gli scienziati continuano a pensare a modi per supportare l'esplorazione dello spazio profondo e di altri mondi, è necessario ricercare nuove opzioni di alimentazione. Quest'ultimo sviluppo presenta alcuni vantaggi chiave: potrebbe funzionare su pianeti lontani come Marte, grazie alla sua atmosfera composta al 95% da CO₂.

Cronologia delle batterie al litio-CO2

Potrebbero volerci circa 5 anni prima che le batterie a CO2 arrivino ai consumatori. La tecnologia esiste, ma il team deve ancora trovare l'approccio migliore per portare la sua invenzione sul mercato. In particolare, la crescente domanda di adempiere agli obblighi di zero emissioni di carbonio potrebbe accelerare questa tempistica e contribuire a rendere prioritaria l'integrazione delle opzioni litio-CO2.

Ricercatori di batterie al litio-CO2

Lo studio sulle batterie al litio-CO2 è stato ospitato dalla Scuola di Chimica e Ingegneria Chimica del Surrey e dall'Advanced Technology Institute. L'articolo innovativo riporta Siddharth Gadkari e Daniel Commandeur come coautori dello studio. Hanno ricevuto il supporto di Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr, James Wright, Thomas M. Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai e Robert CT Slade.

Batterie al litio-CO2 del futuro

Il team intende approfondire l'analisi di altri materiali e il modo in cui questi catalizzatori interagiscono con elettrodi ed elettroliti. Intendono inoltre esplorare ulteriormente il poliossometalato di tipo Keggin come catalizzatore redox bifunzionale. Questi passaggi potrebbero contribuire a migliorare aspetti importanti del loro design, incluso il ciclo reversibile delle batterie ricaricabili Li-CO2.

Investire nel settore delle batterie

Sono diverse le aziende coinvolte nel mercato delle batterie. Queste aziende spaziano da produttori di primo livello ben noti ad alternative a basso costo e persino imitazioni. La domanda di batterie di qualità rimane elevata. Ecco un produttore di batterie che rimane ben posizionato per il successo e potrebbe integrare le batterie al litio-CO1 nei suoi prodotti in futuro.

Potere solido

Potere solido (SLDP ) È entrata sul mercato nel 2011 e ha sede in Colorado. L'obiettivo dell'azienda è creare alternative alle batterie allo stato solido ad alte prestazioni. Dal suo lancio, Solid Power ha riscontrato un notevole sostegno e una crescita notevole sul mercato. Questa crescita è dovuta principalmente al suo spirito innovativo e ai suoi prodotti unici che sostituiscono gli elettroliti liquidi con soluzioni solide a base di solfuro. Questo approccio ha ridotto il rischio di incendio o di fuga termica.

Solid Power ha diverse partnership strategiche con i produttori di veicoli elettrici. Queste partnership sono progettate per promuovere l'innovazione e aiutare il mercato a trovare un'alternativa più sicura ed efficiente. Oggi, l'azienda ha accordi con una varietà di produttori provenienti da diversi settori, tra cui quello medico e manifatturiero.

Chi desidera acquistare un titolo azionario solido nel settore delle batterie con potenziale di crescita dovrebbe prendere in considerazione l'idea di approfondire la ricerca su SLDP. Le partnership dell'azienda e i suoi prodotti entusiasmano molti analisti. Inoltre, la domanda per i suoi servizi è in crescita, il che potrebbe portare a un aumento del valore delle azioni nelle prossime settimane.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni Solid Power (SLDP)

Batterie al litio-CO2: energia pulita a portata di mano

Le batterie al litio-CO2 potrebbero aiutare gli ingegneri a porre fine ai rischi di incendio e ai danni causati dalla fuga termica delle batterie agli ioni di litio. Queste unità sono ovunque e sostituirle con un'alternativa più sicura ed efficiente potrebbe aiutare gran parte della popolazione. Di conseguenza, produttori e ingegneri continuano a investire tempo, denaro e sforzi nel miglioramento delle batterie odierne. Fortunatamente, questo ultimo prodotto massimizza i loro sforzi parallelamente alla produzione di energia pulita.

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Studi citati:

^{1. Masoudi, M., Xavier Jr, NF, Wright, J., Roseveare, TM, Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, RCT, Commandeur, D., & Gadkari, S. (2025). Sovratensione ultrabassa nelle batterie ricaricabili Li-CO₂ abilitata dal fosfomolibdato di cesio come efficace catalizzatore redox. Scienza avanzata, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553}