Batterie dalla ruggine?
Le sfere di carbonio riempite di ossido di ferro offrono un'elevata capacità di stoccaggio
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Le batterie agli ioni di litio convenzionali contengono sostanze problematiche come il nichel e il cobalto, e anche i solventi utilizzati per rivestire i materiali degli elettrodi sono tossici. Gli scienziati dei materiali dell'Università del Saarland stanno quindi lavorando per sviluppare alternative ecologiche. Introducendo ossido di ferro finemente disperso in minuscole sfere di carbonio cave e altamente porose, sviluppate dal professor Michael Elsaesser dell'Università di Salisburgo, il team di Saarbrücken ha ottenuto risultati molto promettenti. Capacità di stoccaggio più elevate utilizzando materiali facilmente reperibili e molto meno problematici dal punto di vista ambientale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Chemistry of Materials.
Chiunque sia stato a Salisburgo, in Austria, conoscerà le Mozartkugeln, le famose palline di marzapane e torrone ricoperte di cioccolato. E le Mozartkugeln sono un modo semplice per immaginare le sfere cave di carbonio che sono state sviluppate dai ricercatori dell'Università di Salisburgo e che ora vengono utilizzate dall'Università del Saarland per far progredire la tecnologia delle batterie agli ioni di litio. Conosciuti come sferogel di carbonio, questi nuovi materiali sono unità di dimensioni nanometriche con un diametro di circa 250 nm che offrono un'ampia superficie e un'elevata capacità elettrochimica. La sfida per noi è utilizzare la sintesi chimica per riempire la cavità all'interno di queste sfere con ossidi metallici adatti", spiega la scienziata dei materiali Stefanie Arnold. Dopo una serie di esperimenti iniziali con il biossido di titanio, la cui capacità di immagazzinare e rilasciare ioni di litio era relativamente bassa, il team ha rivolto la propria attenzione all'ossido di ferro, che la maggior parte di noi chiama comunemente ruggine.
Il ferro presenta una serie di vantaggi: è abbondante in tutto il mondo, offre - almeno in teoria - un'elevata capacità di immagazzinamento ed è facile da riciclare", spiega Stefanie Arnold, ricercatrice post-dottorato presso l'Università del Saarland che collabora con il professor Volker Presser, docente di materiali energetici. Utilizzando una metodologia di sintesi scalabile basata sul lattato di ferro, il team di Salisburgo è riuscito a integrare diverse quantità di ferro nella struttura di carbonio delle sfere cave, producendo robuste reti porose con nanoparticelle di ferro uniformemente distribuite. L'aspetto particolarmente interessante è stato che la capacità di immagazzinamento (cioè la quantità di carica elettrica che può essere immagazzinata e rilasciata reversibilmente per grammo di materiale elettrodico attivo) ha continuato ad aumentare durante l'utilizzo della batteria. Quanto più a lungo la batteria è stata utilizzata, tanto migliori sono state le sue prestazioni. Questo perché il ferro metallico elementare delle nanoparticelle deve prima reagire con l'ossigeno per formare ossido di ferro. Questo processo di attivazione elettrochimica del ferro incorporato nella matrice di sferogel di carbonio non è immediato, ma avviene progressivamente. Sono necessari circa 300 cicli di carica e scarica finché tutte le cavità delle sfere di carbonio si riempiono di ossido di ferro e si raggiunge la massima capacità di immagazzinamento", spiega Arnold.
Le "batterie a base di ruggine" sono ancora un lavoro in corso
Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche prima che questo meccanismo possa essere utilizzato su scala industriale. Il processo di attivazione deve essere più rapido, in modo che le batterie possano raggiungere prima la massima capacità di accumulo. Inoltre, gli sferogel di carbonio riempiti di ossido di ferro sono attualmente utilizzati come anodo della batteria; per ottenere una cella completa è ancora necessario sviluppare un catodo adatto. Siamo fiduciosi che il nostro approccio faciliterà lo sviluppo di sistemi di accumulo di energia rinnovabile rispettosi dell'ambiente", afferma Volker Presser, che dirige anche il Dipartimento di ricerca sui materiali energetici dell'INM - Istituto Leibniz per i nuovi materiali di Saarbrücken. Il nuovo materiale sarà testato anche per le batterie agli ioni di sodio, che i produttori automobilistici cinesi stanno già utilizzando. Questi materiali costituiscono una piattaforma tecnologica versatile che consente di integrare un'ampia varietà di altre sostanze negli sferogel in un'unica fase di sintesi, aprendo opportunità per un'ampia gamma di applicazioni tecnologiche", aggiunge Michael Elsässer.
Sviluppare nuovi metodi di riciclaggio e un approvvigionamento energetico rispettoso del clima
Nell'ambito del progetto "EnFoSaar", Stefanie Arnold sta anche studiando come il litio possa essere recuperato dalle batterie e come le future batterie debbano essere progettate in modo da poter essere smantellate su scala industriale. Abbiamo bisogno di metodi di riciclaggio efficienti e di sistemi di materiali a ciclo chiuso per minimizzare il consumo di risorse e ridurre i rifiuti nella catena di fornitura delle batterie", afferma Arnold. EnFoSaar è un grande progetto finanziato dal governo del Saarland con 23 milioni di euro dal Fondo per la trasformazione del Saarland. L'obiettivo è quello di sviluppare approcci innovativi per un approvvigionamento energetico rispettoso del clima e di guidare la trasformazione dell'industria energetica del Saarland e del relativo panorama della ricerca, sviluppando metodologie innovative, scientificamente valide e concretamente attuabili.
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.
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