Un nuovo materiale autoassemblante potrebbe essere la chiave per batterie EV riciclabili
I ricercatori del MIT hanno progettato un elettrolita che può separarsi alla fine della vita di una batteria, consentendo un più facile riciclo dei componenti
Annunci
Il boom dei veicoli elettrici di oggi è la montagna di rifiuti elettronici di domani. E sebbene siano in corso numerosi sforzi per migliorare il riciclaggio delle batterie, molte di esse finiscono ancora nelle discariche.
Un team di ricerca del MIT vuole contribuire a cambiare questa situazione con un nuovo tipo di materiale per batterie auto-assemblante che si disgrega rapidamente quando viene immerso in un semplice liquido organico. In un nuovo articolo pubblicato su Nature Chemistry, i ricercatori hanno dimostrato che il materiale può funzionare come elettrolita in una batteria a stato solido funzionante e poi tornare ai suoi componenti molecolari originali in pochi minuti.
L'approccio offre un'alternativa alla frantumazione della batteria in una massa mista e difficile da riciclare. Invece, poiché l'elettrolita funge da strato di collegamento della batteria, quando il nuovo materiale ritorna alla sua forma molecolare originale, l'intera batteria si smonta per accelerare il processo di riciclaggio.
"Finora nell'industria delle batterie ci siamo concentrati su materiali e progetti ad alte prestazioni e solo in un secondo momento abbiamo cercato di capire come riciclare le batterie realizzate con strutture complesse e materiali difficili da riciclare", spiega Yukio Cho PhD '23, primo autore dell'articolo. Il nostro approccio consiste nel partire da materiali facilmente riciclabili e capire come renderli compatibili con le batterie". Progettare batterie riciclabili fin dall'inizio è un approccio nuovo".
A Cho si sono aggiunti Cole Fincher, dottorando, Ty Christoff-Tempesta PhD '22, il professore di ceramica Kyocera Yet-Ming Chiang, la professoressa associata Julia Ortony, Xiaobing Zuo e Guillaume Lamour.
Batterie migliori
In uno dei film di "Harry Potter" c'è una scena in cui il Professor Silente pulisce una casa fatiscente con un colpo di mano e un incantesimo. Cho dice che quell'immagine gli è rimasta impressa da bambino (quale modo migliore per pulire la propria stanza?) Quando ha visto una conferenza di Ortony sull'ingegneria delle molecole in modo che potessero assemblarsi in strutture complesse e poi tornare alla loro forma originale, si è chiesto se fosse possibile utilizzarla per far funzionare il riciclo delle batterie come una magia.
Si tratterebbe di un cambiamento di paradigma per l'industria delle batterie. Oggi le batterie richiedono prodotti chimici aggressivi, calore elevato e processi complessi per essere riciclate. Le parti principali di una batteria sono tre: il catodo con carica positiva, l'elettrodo con carica negativa e l'elettrolita che trasporta gli ioni di litio tra di loro. Gli elettroliti della maggior parte delle batterie agli ioni di litio sono altamente infiammabili e si degradano nel tempo in sottoprodotti tossici che richiedono una gestione specifica.
Per semplificare il processo di riciclaggio, i ricercatori hanno deciso di creare un elettrolita più sostenibile. A tal fine, si sono rivolti a una classe di molecole che si autoassemblano in acqua, denominate anfifili aramidici (AA), la cui struttura chimica e stabilità imita quella del Kevlar. I ricercatori hanno inoltre progettato gli AA in modo che contenessero il polietilenglicole (PEG), che può condurre ioni di litio, su un'estremità di ciascuna molecola. Quando le molecole sono esposte all'acqua, formano spontaneamente nanoribbons con superfici di PEG che conducono gli ioni e basi che imitano la robustezza del Kevlar attraverso uno stretto legame idrogeno. Il risultato è una struttura di nanoribbon meccanicamente stabile che conduce gli ioni attraverso la sua superficie.
"Il materiale è composto da due parti", spiega Cho. "La prima parte è questa catena flessibile che ci dà un nido, o un ospite, per gli ioni di litio che saltano in giro. La seconda parte è il forte materiale organico utilizzato nel Kevlar, che è un materiale antiproiettile. Questi elementi rendono stabile l'intera struttura".
Quando vengono aggiunti all'acqua, i nanoribbons si autoassemblano per formare milioni di nanoribbons che possono essere pressati a caldo in un materiale allo stato solido.
"Entro cinque minuti dall'aggiunta all'acqua, la soluzione diventa simile a un gel, a indicare che le nanofibre formate nel liquido sono così tante che iniziano ad aggrovigliarsi tra loro", spiega Cho. "L'aspetto entusiasmante è che possiamo produrre questo materiale in scala grazie al comportamento di autoassemblaggio".
Il team ha testato la resistenza e la tenacità del materiale, scoprendo che poteva sopportare le sollecitazioni associate alla produzione e al funzionamento della batteria. Hanno anche costruito una cella di batteria a stato solido che utilizzava il fosfato di ferro di litio come catodo e l'ossido di titanio di litio come anodo, entrambi materiali comuni nelle batterie di oggi. I nanoribboncini hanno spostato con successo gli ioni di litio tra gli elettrodi, ma un effetto collaterale noto come polarizzazione ha limitato il movimento degli ioni di litio all'interno degli elettrodi della batteria durante i rapidi cicli di carica e scarica, ostacolandone le prestazioni rispetto alle attuali batterie commerciali auree.
"Gli ioni di litio si muovevano bene lungo le nanofibre, ma il passaggio degli ioni di litio dalle nanofibre all'ossido metallico sembra essere il punto più lento del processo", spiega Cho.
Quando hanno immerso la cella della batteria in solventi organici, il materiale si è dissolto immediatamente, e ogni parte della batteria è caduta per facilitare il riciclaggio. Cho ha paragonato la reazione dei materiali allo zucchero filato immerso nell'acqua.
"L'elettrolito tiene uniti i due elettrodi della batteria e fornisce i percorsi degli ioni di litio", spiega Cho. "Così, quando si vuole riciclare la batteria, l'intero strato di elettrolita può cadere naturalmente e si possono riciclare gli elettrodi separatamente".
Convalidare un nuovo approccio
Cho afferma che il materiale è una prova di concetto che dimostra l'approccio recycle-first.
"Non vogliamo dire di aver risolto tutti i problemi con questo materiale", afferma Cho. "Le prestazioni della nostra batteria non erano fantastiche perché abbiamo usato solo questo materiale come intero elettrolita per la carta, ma quello che stiamo immaginando è di usare questo materiale come uno strato nell'elettrolita della batteria. Non è necessario che sia l'intero elettrolita per avviare il processo di riciclaggio".
Cho vede anche un ampio margine di ottimizzazione delle prestazioni del materiale con ulteriori esperimenti.
Ora i ricercatori stanno esplorando i modi per integrare questo tipo di materiali nei progetti di batterie esistenti e per implementare le idee in nuove chimiche di batterie.
"È molto difficile convincere i fornitori esistenti a fare qualcosa di molto diverso", spiega Cho. "Ma con i nuovi materiali per batterie che potrebbero uscire tra cinque o dieci anni, potrebbe essere più facile integrarli nei nuovi progetti all'inizio".
Cho ritiene inoltre che questo approccio potrebbe contribuire a rifornire le forniture di litio riutilizzando i materiali delle batterie già presenti negli Stati Uniti.
"La gente sta iniziando a rendersi conto dell'importanza di questo aspetto", afferma Cho. "Se riusciamo a riciclare su scala le batterie agli ioni di litio dai rifiuti delle batterie, avremo lo stesso effetto dell'apertura di miniere di litio negli Stati Uniti. Inoltre, ogni batteria richiede una certa quantità di litio, quindi, estrapolando la crescita dei veicoli elettrici, dobbiamo riutilizzare questo materiale per evitare picchi massicci del prezzo del litio".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Altre notizie dal dipartimento scienza
Questi prodotti potrebbero interessarvi
Battery Testing Services da Battery Dynamics
Per saperne di più sulle prestazioni e sulla durata delle celle della vostra batteria in meno tempo
Beneficiate di una moderna tecnologia di misurazione e di un team esperto
Batt-TDS da ystral
Macchina di miscelazione e dispersione YSTRAL Batt-TDS
Potenziate il processo di impasto della batteria
