Da 0 a 100 in 12 minuti: il calendario delle batterie al litio-solfuro
Uno studio internazionale mostra il potenziale delle batterie al litio-solfuro a ricarica rapida per la mobilità elettrica e la transizione energetica
Basta prendere un caffè e l'auto è completamente carica: è così che molti immaginano la mobilità del futuro. Ma le batterie di oggi sono ancora lontane. Sebbene le moderne batterie agli ioni di litio si ricarichino dal 20 all'80% in circa 20-30 minuti, una carica completa richiede molto più tempo e la ricarica rapida mette a dura prova le celle.
Jakob Offermann (a sinistra) e il dottor Mozaffar Abdollahifar (a destra) con una batteria agli ioni di litio.
© Christina Anders, Uni Kiel
Un nuovo studio internazionale pubblicato sulla rivista "Advanced Energy Materials" mostra ora come le batterie al litio e zolfo (LSB) potrebbero superare queste limitazioni. Ricercatori tedeschi, indiani e taiwanesi - coordinati dal dottor Mozaffar Abdollahifar del gruppo del professor Rainer Adelung dell'Università di Kiel (CAU) - hanno analizzato sistematicamente centinaia di studi attuali e hanno mostrato quali meccanismi possono essere utilizzati per far funzionare le LSB in modo stabile ed efficiente, anche a velocità di ricarica elevate. Il loro obiettivo: tempi di ricarica inferiori a 30 minuti - idealmente anche solo dodici minuti - con una maggiore densità energetica e una maggiore autonomia.
Batterie al litio-zolfo: Più autonomia, ricarica più veloce
Le LSB sono considerate un promettente successore delle già affermate batterie agli ioni di litio. In queste ultime, gli ioni di litio vengono immagazzinati e rimossi da materiali elettrodici solidi, mentre nelle LSB avvengono reazioni chimiche che portano alla formazione di nuovi composti. Viene utilizzato un anodo di litio metallico in combinazione con un catodo di zolfo, che teoricamente porta a una capacità di 2600 wattora per chilogrammo, circa dieci volte superiore a quella dei sistemi convenzionali. In futuro, i veicoli elettrici potrebbero quindi coprire distanze molto più lunghe con una sola carica.
Un altro vantaggio: lo zolfo è poco costoso, disponibile in tutto il mondo, ecologico e non tossico - ci sono anche molti argomenti economici a favore del passaggio allo zolfo come materiale catodico.
Le sfide tecniche della tecnologia LSB
Finora, tuttavia, ci sono stati ostacoli tecnici all'uso diffuso: lo zolfo è un isolante elettrico e deve essere combinato con additivi conduttivi, il che aumenta il peso della batteria. Il catodo si espande fino all'80% durante la carica e la scarica, il che può compromettere la stabilità meccanica e la durata della batteria.
A ciò si aggiunge l'"effetto shuttle": durante la scarica si formano polisolfuri di litio solubili che migrano verso l'anodo e vi provocano reazioni collaterali indesiderate, con conseguenze negative sull'efficienza e sulla stabilità. "Inoltre, sull'anodo di litio metallico possono formarsi dendriti, ovvero strutture aghiformi che possono innescare cortocircuiti e, nel peggiore dei casi, causare incendi", spiega l'autore principale Jakob Offermann.
Strategie per una ricarica rapida ad alta sicurezza
Lo studio analizza in particolare i lavori con tempi di ricarica particolarmente rapidi (a partire da 2C, cioè con una ricarica in meno di 30 minuti) e con un elevato carico di zolfo, entrambi elementi cruciali nella pratica. Gli approcci risolutivi più importanti sono:
- Progettazione del catodo: le strutture di carbonio conduttivo come i nanotubi, il grafene o il carbone attivo migliorano il trasporto degli ioni e l'utilizzo dello zolfo, anche con un elevato carico di materiale. Anche i carboni ricchi di difetti e drogati contribuiscono a ridurre l'effetto shuttle.
- Materiali catalitici: ossidi metallici, calcogenuri o catalizzatori a singolo atomo accelerano le reazioni dello zolfo e riducono l'effetto navetta.
- Separatori ottimizzati: Gli strati di separazione funzionali intrappolano i polisolfuri e favoriscono il trasporto rapido degli ioni.
- Nuovi sistemi elettrolitici: Elettroliti solidi e altamente concentrati e additivi speciali migliorano la conduttività, la compatibilità con il litio metallico e sopprimono le reazioni collaterali.
- Anodi stabili: strati protettivi come strutture 3D di litio e interfacce artificiali impediscono la formazione di dendriti.
- Nuove forme di zolfo: Lo zolfo monoclino γ permette una reazione diretta allo stato solido, completamente priva dell'effetto shuttle.
- Sviluppo di materiali con l'aiuto dell'intelligenza artificiale: i metodi di intelligenza artificiale accelerano la ricerca di materiali, prevedono le prestazioni delle batterie e aiutano a rendere i processi di ricarica più efficienti e sicuri.
Le LSB come tecnologia chiave del futuro
"La nostra analisi dimostra che i tempi di ricarica rapida inferiori a 30 minuti - in alcuni casi anche meno di 15 minuti - con un contemporaneo aumento della capacità sono realistici", afferma Mozaffar Abdollahifar. "I primi prototipi stanno raggiungendo valori promettenti di circa 2 mAh per centimetro quadrato a velocità di ricarica pratiche. Tuttavia, per superare davvero le batterie agli ioni di litio esistenti, è necessario aumentare ulteriormente il carico dei materiali e le prestazioni".
Lo studio combina scienza dei materiali, elettrochimica, nanotecnologia e tecnologia delle batterie in un approccio olistico per le batterie a carica rapida. Presenta una nuova metodologia che funge da guida per lo sviluppo di LSB ad alte prestazioni, di lunga durata e sicure. Con criteri chiari e un approccio sistematico, il lavoro offre una tabella di marcia orientata alla pratica per l'implementazione di LSB a carica rapida nei settori della mobilità e dell'accumulo di energia.
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