Energia
Scoperta della Batteria Li‑CO₂ che Cattura il Carbonio mentre Alimenta i Dispositivi
Gli ingegneri dell’Università di Surrey hanno introdotto una batteria Lithium‑CO₂ che rimuove l’anidride carbonica dall’aria durante il suo normale funzionamento. Il design migliorato della batteria ha il potenziale di superare i suoi predecessori, contribuendo al contempo a combattere l’inquinamento e il cambiamento climatico. Ecco cosa c’è da sapere.
Perché le batterie al litio‑ioniche non sono sufficienti nell’energia verde
Il futuro è senza fili e i produttori comprendono che esiste una domanda di soluzioni di batterie pulite. Le batterie più comuni oggi sono quelle al litio‑ionico. Queste batterie si trovano in dispositivi di uso quotidiano, come il tuo cellulare, il veicolo elettrico e lo smartwatch. Le batterie al litio‑ionico offrono una densità decente, cicli di carica accettabili e sono economiche. Tuttavia, non sono sostenibili e rimangono un importante inquinante nelle discariche a livello globale.
Principali sfide delle batterie al litio‑ionico: Sicurezza, costo e rifiuti
Ci sono diversi problemi con le batterie al litio‑ionico che ne hanno limitato l’efficacia e l’efficienza. Innanzitutto, richiedono l’uso di materiali costosi e di terre rare. Risorse come il platino sono difficili da reperire e aumentano notevolmente il costo del processo di produzione. Inoltre, la domanda di minerali di terre rare è diventata una questione di sicurezza per le nazioni, che ora cercano di garantire scorte abbondanti di questi elementi essenziali.
Le batterie al litio‑ionico soffrono anche di una scarsa durata dei cicli. Il design di queste batterie comporta una certa perdita ad ogni ciclo di carica. Di conseguenza, le batterie al litio‑ionico riducono le prestazioni ad ogni ciclo. Inoltre, sono molto costose da smaltire e possono diventare un pericolo per la sicurezza se caricate in modo improprio o se si verifica un runaway termico.
Il runaway termico si riferisce al surriscaldamento delle celle delle batterie al litio‑ionico, che provoca il surriscaldamento delle celle circostanti. Il risultato è un collasso massiccio che può innescare incendi o addirittura esplosioni. I danni causati da questi eventi sono ben documentati. Una semplice ricerca evidenzia una lunga storia di incendi di batterie al litio‑ionico in tutto il mondo.
Sovrapotenziale
Un’altra preoccupazione per gli utenti di batterie al litio‑ionico è il sovrapotenziale. Questo termine si riferisce alla quantità di energia necessaria per avviare una reazione chimica e caricare la batteria. I sistemi al litio‑ionico soffrono di un alto sovrapotenziale. Tuttavia, tutto questo sta per cambiare grazie a scienziati ingegnosi.
Cosa sono le batterie Lithium‑CO₂ e come funzionano?
Le batterie Lithium‑CO₂ sono emerse come un’alternativa entusiasmante. Queste batterie ricaricabili utilizzano il gas CO₂ come vettore di energia. Questa struttura offre importanti vantaggi, come prestazioni migliorate, maggiore capacità e aria più pulita. Di conseguenza, molti credono che le batterie Lithium‑CO₂ siano il passo migliore per raggiungere emissioni di carbonio nette zero in futuro.
Svantaggi delle attuali batterie Lithium‑CO₂
Uno dei principali svantaggi nell’uso attuale delle batterie Li‑CO₂ è la mancanza di catalizzatori affidabili e a basso costo. Riconoscendo questo fatto, gli ingegneri hanno creato una nuova versione che integra i recenti progressi nella scienza dei materiali e nella modellazione informatica. Il nuovo approccio promette di affrontare simultaneamente due problemi: l’uso di energia e la qualità dell’aria.
Studio rivoluzionario sulla batteria Lithium‑CO₂ dell’Università di Surrey
Lo studio1, “Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO2 Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst“, pubblicato su Advanced Science, approfondisce le batterie “respiranti“. Questi dispositivi usano CO₂ per interagire con un catalizzatore progettato appositamente, creando un ciclo di energia pulita.
Batterie Lithium‑CO₂ smontate
Come parte del loro processo, gli ingegneri hanno creato diverse batterie Li‑CO₂ con differenti catalizzatori. Hanno poi sottoposto le batterie a migliaia di cicli di carica, rappresentanti anni di utilizzo quotidiano. Dopo il periodo di ciclaggio hanno smontato le unità per comprendere più a fondo cosa fosse accaduto in termini di degradazione, accumulo e altri fattori limitanti le prestazioni. In particolare, il team ha osservato che si formavano depositi di carbonato di litio, i quali potevano essere rimossi facilmente per consentire alla batteria di migliorare il suo ciclo di carica.
Modello informatico delle batterie Lithium‑CO₂
I ricercatori hanno utilizzato i dati ottenuti dai loro esperimenti per creare un modello informatico accurato. Il modello impiega 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 a ridurre i costi totali ampliando i test. L’obiettivo era utilizzare il modello per trovare il materiale migliore per creare una struttura porosa stabile che potesse supportare le reazioni chimiche che rendono operative le batterie al litio.
Caesium Phosphomolybdate (CPM)
Dopo alcuni test, gli ingegneri hanno determinato che il caesium phosphomolybdate (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 possedeva numerosi siti elettroattivi e presentava una superficie arricchita di ossigeno. Inoltre, il composito ha una morfologia mesoporosa unica che ne aumenta la durabilità e le prestazioni durante i cicli di carica, il che significa che queste batterie consumano meno energia per la ricarica rispetto ai loro predecessori.
Questo poro del CPM è ideale perché favorisce una diffusione efficiente delle molecole di CO₂ e degli ioni Li+ verso i siti attivi. Inoltre, i pori svolgono un altro ruolo, accogliendo i prodotti di scarica. In particolare, le strutture cristalline misurano solo 140 nm di dimensione.
Diffrazione a raggi X di polvere (PXRD)
Gli ingegneri hanno esaminato la struttura della rete cristallina e la composizione del catalizzatore CPM sintetizzato utilizzando il metodo di diffrazione a raggi X di polvere. Questo strumento funziona focalizzando i raggi X sulla struttura e analizzando il suo pattern di diffrazione.
Spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR)
Il passo successivo è stato determinare quale energia fosse assorbita o emessa a causa dei processi. Gli ingegneri hanno utilizzato una spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier per eseguire questo passo. Il team ha osservato la presenza delle particelle keggin durante il processo, in linea con le previsioni del loro modello computazionale.
Unità Keggin
Il team ha dedicato molto impegno a determinare se la loro creazione avesse unità keggin integrate nella superficie. Le unità keggin si riferiscono a una struttura cristallina nota per la sua robustezza e stabilità strutturale. È l’impostazione ideale per le batterie perché mantiene la sua struttura durante il processo di ciclaggio.
Spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS)
Il team ha utilizzato la spettroscopia fotoelettronica a raggi X per ottenere una comprensione più profonda dello stato chimico del catalizzatore durante il processo e successivamente. Hanno determinato con precisione la composizione elementare della superficie e l’hanno regolata per ottimizzare le prestazioni e la longevità della batteria.
Termogravimetria (TG)
Il passo successivo è stato determinare se vi fosse umidità che entrava nel sistema o prodotta come sottoprodotto. I ricercatori hanno impiegato la termogravimetria per valutare il contenuto d’acqua del composito CPM. Il test ha rivelato che il nuovo design potrebbe supportare lo sviluppo di batterie ad alta densità.
Test delle batterie Lithium‑CO₂
Una serie di esperimenti di laboratorio ha aiutato gli ingegneri a verificare nuovamente le loro previsioni. Il team ha eseguito sia simulazioni fisiche che informatiche per valutare la capacità elettrocatalitica del catalizzatore CPM nel migliorare la cinetica CRR/CER. Hanno determinato che la loro struttura possiede alcune caratteristiche uniche che la rendono ideale per l’uso come catalizzatore.
Risultati dei test delle batterie Lithium‑CO₂
I risultati dei test sono stati sorprendenti. La nuova struttura della batteria ha funzionato senza guasti. Il team ha eseguito 100 cicli a 50 mA g⁻¹ con una limitazione di capacità di 500 mAh g⁻¹. Hanno osservato che il dispositivo poteva immagazzinare più energia ed era più facile da caricare rispetto alle tradizionali opzioni al litio‑ionico. In modo impressionante, le batterie aggiornate hanno dimostrato un’eccellente capacità di scarica di 15440 mAh g⁻¹ a 50 mA g⁻¹ con un’efficienza coulombica del 97,3 %. Inoltre, il catalizzatore ha fornito un basso sovrapotenziale di 0,67 V.
Questi dati hanno dimostrato che il nuovo design è molto più efficace rispetto al catalizzatore tradizionale. In particolare, offre una capacità di scarica‑carica più elevata e batterie con un sovrapotenziale più basso. 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.
Principali vantaggi delle batterie Lithium‑CO₂ per l’energia pulita
Le batterie lithium‑CO₂ offrono numerosi vantaggi sul mercato. Innanzitutto, offrono agli utenti un’alternativa pulita alle batterie al litio‑ionico, che continuano a riempire le discariche. Questo nuovo approccio riduce contemporaneamente i rifiuti e le emissioni di gas serra, aprendo la porta all’industria delle batterie per effettuare miglioramenti significativi riducendo l’inquinamento.
Capacità più elevata
Il rapporto mostra che le batterie Lithium‑CO₂ possono fornire una capacità più elevata rispetto ai loro predecessori. Inoltre, hanno un sovrapotenziale molto più basso, il che significa che utilizzano molta meno energia per la carica. L’approccio di carica meno intenso estende il ciclo di vita della batteria senza ridurne le prestazioni.
Le batterie Lithium‑CO₂ sono più convenienti.
Un altro motivo per cui i produttori di batterie e i consumatori potrebbero assistere a un improvviso afflusso di opzioni Lithium‑CO₂ è che queste offrono un processo di produzione più conveniente. Quando si combinano i costi di produzione ridotti con le emissioni più basse, l’alternativa Lithium‑CO₂ sembra un modo pratico per immagazzinare energia pulita.
Le batterie Lithium‑CO₂ sono più scalabili
I ricercatori hanno garantito che il loro lavoro potesse scalare per soddisfare le esigenze della comunità. C’è una domanda enorme di opzioni di energia pulita per alimentare dispositivi portatili. Gli ingegneri vedono questo sviluppo della batteria come un aggiornamento a riduzione di costi con il vantaggio aggiuntivo di intrappolare CO₂, un gas serra nocivo.
Le batterie Lithium‑CO₂ sono più efficienti.
L’efficienza è un altro vantaggio delle batterie lithium‑CO₂ rispetto ad altre soluzioni di batterie. Queste forniture di energia di nuova generazione potranno operare in modo efficiente su una vasta gamma di casi d’uso. Le unità offrono maggiore capacità energetica e possono essere scalate per garantire che siano adatte all’applicazione.
Nessun metallo delle terre rare
I metalli delle terre rare sono una risorsa limitata che continua a guadagnare valore. Esistono già importanti tariffe e altre normative volte a proteggere l’accesso ai metalli delle terre rare da parte delle superpotenze mondiali. La decisione degli ingegneri di eliminare la necessità di questi minerali nel design della batteria potrebbe essere una delle ragioni principali per cui questa tecnologia avrà successo.
Applicazioni reali delle batterie Lithium‑CO₂ e quando aspettarsi la loro diffusione
Ci sono molte applicazioni per batterie più ecologiche. Il mondo ha bisogno di alternative pulite che possano alimentare il numero crescente di sistemi senza fili usati quotidianamente. Un giorno, il Lithium‑CO₂ potrebbe alimentare la tua casa, la tua auto e i tuoi dispositivi, contribuendo a ridurre i gas serra nocivi.
Viaggi spaziali
I viaggi spaziali sono un’altra applicazione di questa tecnologia. Man mano che gli scienziati continuano a cercare modi per supportare l’esplorazione dello spazio profondo e di altri mondi, è necessario ricercare nuove opzioni energetiche. Questo ultimo sviluppo presenta alcuni vantaggi chiave, poiché potrebbe operare su pianeti lontani come Marte, la cui atmosfera è composta per il 95 % da CO₂.
Timeline delle batterie Lithium‑CO₂
Potrebbero passare circa +5 anni prima che le batterie CO₂ arrivino ai consumatori. La tecnologia esiste, ma il team deve ancora capire l’approccio migliore per portare la loro invenzione sul mercato. In particolare, la crescente domanda di adempiere agli obblighi di carbonio netto zero potrebbe accelerare questa timeline e contribuire a rendere l’integrazione delle opzioni lithium‑CO₂ una priorità.
Ricercatori delle batterie Lithium‑CO₂
Lo studio sulle batterie lithium‑CO₂ è stato ospitato dalla School of Chemistry and Chemical Engineering di Surrey e dall’Advanced Technology Institute. Il documento rivoluzionario elenca Siddharth Gadkari e Daniel Commandeur come co‑autori dello studio. Hanno ricevuto supporto da Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr, James Wright, Thomas M. Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai e Robert C. T. Slade.
Futuro delle batterie Lithium‑CO₂
Il team intende approfondire altri materiali e come questi catalizzatori interagiscono con elettrodi ed elettroliti. Vogliono inoltre esplorare ulteriormente i poliossometalati di tipo Keggin come catalizzatori redox bifunzionali. Questi passi potrebbero contribuire a migliorare aspetti fondamentali del loro design, inclusa la ciclaggio reversibile delle batterie ricaricabili Li–CO₂.
Investire nel settore delle batterie
Ci sono diverse aziende coinvolte nel mercato delle batterie. Queste imprese spaziano dai produttori di primo livello ben noti a alternative a basso costo e persino a copie. La domanda di batterie di qualità rimane elevata. Ecco un produttore di batterie che rimane posizionato per il successo e potrebbe integrare le batterie lithium‑CO₂ nei suoi prodotti in futuro.
Solid Power
Solid Power (SLDP ) è entrata nel mercato nel 2011 e ha sede in Colorado. L’obiettivo dell’azienda è creare alternative di batterie allo stato solido ad alte prestazioni. Dalla sua nascita, Solid Power ha registrato un notevole supporto e crescita sul mercato. Questa crescita è dovuta principalmente al suo spirito innovativo e ai suoi prodotti unici che sostituiscono gli elettroliti liquidi con opzioni solide a base di solfuri. Questo approccio ha ridotto il rischio di incendio o runaway termico.
Solid Power ha diverse partnership strategiche con produttori di veicoli elettrici. Queste partnership sono progettate per stimolare l’innovazione e aiutare il mercato a trovare un’alternativa più sicura ed efficiente. Oggi, l’azienda ha accordi con una varietà di produttori in diversi settori, inclusi i settori medico e manifatturiero.
(SLDP )
