Reimmaginazione di un progetto di batteria dimenticato da Thomas Edison

Purtroppo, questa promessa non si realizzò mai. Le prime batterie per auto elettriche soffrivano ancora di gravi limitazioni e i progressi del motore a combustione interna hanno avuto la meglio.

Ora, una collaborazione internazionale di ricerca guidata dall'UCLA ha preso spunto dal libro di Edison, sviluppando una tecnologia di batterie al nichel-ferro che potrebbe essere adatta a immagazzinare l'energia generata dai parchi solari. Il prototipo è stato in grado di ricaricarsi in pochi secondi, invece che in ore, e ha raggiunto oltre 12.000 cicli di scaricamento e ricarica - l'equivalente di oltre 30 anni di ricariche quotidiane.

La tecnologia è stata costruita a partire da minuscoli cluster di metallo modellati con l'ausilio di proteine, che sono stati poi legati a un materiale bidimensionale, costituito da fogli dello spessore di un solo atomo. Nonostante gli ingredienti innovativi, le tecniche sono ingannevolmente semplici e poco costose.

"Spesso si pensa ai moderni strumenti nanotecnologici come complicati e altamente tecnologici, ma il nostro approccio è sorprendentemente semplice e diretto", ha dichiarato il coautore dello studio Maher El-Kady, assistente ricercatore presso il dipartimento di chimica e biochimica dell'UCLA College. "Ci limitiamo a mescolare ingredienti comuni, ad applicare delicate fasi di riscaldamento e a utilizzare materie prime ampiamente disponibili".

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Small ed è riportato in quarta di copertina.

Batterie che ricevono un aiuto dalla biologia

Il mondo naturale ha fornito alcuni spunti ai ricercatori. Di particolare interesse è stato il processo con cui gli animali formano le ossa e i molluschi formano il loro involucro esterno duro. Che si tratti di scheletri interni o esterni, essi sono formati da proteine che fungono da impalcature per la raccolta di composti a base di calcio.

I ricercatori hanno cercato di imitare questo meccanismo per generare i loro minuscoli cluster di nichel o ferro, secondo l'autore co-corrispondente Ric Kaner, illustre professore di chimica e biochimica presso l'UCLA College e di scienza e ingegneria dei materiali presso la UCLA Samueli School of Engineering.

"Ci siamo ispirati al modo in cui la natura deposita questo tipo di materiali", ha detto Kaner, che è anche titolare della Dr. Myung Ki Hong Endowed Chair in Materials Innovation e membro del California NanoSystems Institute dell'UCLA. "La deposizione dei minerali nel modo corretto costruisce ossa forti, ma sufficientemente flessibili da non essere fragili. Il modo in cui lo si fa è importante quasi quanto il materiale usato, e le proteine guidano il posizionamento dei minerali".

Nello studio, il team ha utilizzato proteine che sono sottoprodotti della produzione di carne bovina. Le molecole sono servite come modelli per la crescita di cluster di nichel per gli elettrodi positivi e di ferro per gli elettrodi negativi. Gli angoli e le fessure della struttura proteica ripiegata hanno limitato le dimensioni dei cluster metallici a meno di 5 nanometri. È una dimensione così piccola che ci vorrebbero circa 10.000-20.000 cluster per raggiungere la larghezza di un capello umano. I ricercatori hanno persino rilevato singoli atomi di ferro e nichel nei loro elettrodi.

Le proteine sono state combinate con l'ossido di grafene, un materiale 2D ultrasottile che si presenta in fogli dello spessore di un singolo atomo e che comprende carbonio decorato con atomi di ossigeno. Sebbene l'ossigeno possa creare intasamenti che rendono il materiale più simile a un isolante, il processo successivo ha cambiato tutto.

Gli ingredienti sono stati surriscaldati in acqua e poi cotti ad alta temperatura, facendo sì che le proteine si carbonizzassero nel carbonio, eliminando l'ossigeno nel materiale 2D e incorporando i minuscoli cluster metallici guidati dalle proteine. La struttura risultante era un aerogel, composto da quasi il 99% di aria in volume.

L'area superficiale come superpotere

Parte della salsa segreta della tecnologia è l'area superficiale: più è esposta, più spazio c'è per le reazioni alla base della chimica della batteria.

La sottigliezza dell'aerogel di grafene e l'abbondanza di spazio vuoto ne hanno fornito in abbondanza. Inoltre, la sottigliezza dei nanocluster metallici sfrutta un principio matematico fondamentale: quando gli oggetti diventano più piccoli, le dimensioni della superficie esterna esposta aumentano molto più del volume.

"Passando da particelle più grandi a questi nanocluster estremamente minuscoli, l'area superficiale aumenta drasticamente", ha detto El-Kady. "Questo è un enorme vantaggio per le batterie. Quando le particelle sono così piccole, quasi ogni singolo atomo può partecipare alla reazione. Così, la carica e la scarica avvengono molto più velocemente, si può immagazzinare più carica e l'intera batteria funziona in modo più efficiente".

Prospettive per il futuro e prossimi passi

Nonostante i vantaggi in termini di velocità di ricarica e durata, questa iterazione della tecnologia non è all'altezza delle capacità di stoccaggio delle attuali batterie agli ioni di litio. Poiché l'autonomia è molto importante nel mercato delle auto elettriche, i ricercatori ritengono che questa batteria del futuro ispirata a Edison potrebbe un giorno trovare applicazione in altri settori.

Per esempio, la ricarica rapida, l'alto rendimento e la robusta resistenza di questa tecnologia suggeriscono che sia adatta per immagazzinare l'elettricità in eccesso generata dai parchi solari durante il giorno, per alimentare la rete elettrica durante la notte. Potrebbe anche essere utile per l'alimentazione di riserva dei centri dati.

"Poiché questa tecnologia potrebbe estendere la durata delle batterie a decenni e decenni, potrebbe essere ideale per immagazzinare energia rinnovabile o per sostituirla rapidamente in caso di interruzione dell'alimentazione", ha detto El-Kady. "Questo eliminerebbe le preoccupazioni relative al costo variabile delle infrastrutture".

I ricercatori stanno esplorando l'uso della loro tecnica di fabbricazione di nanocluster con altri metalli. Stanno anche esaminando possibili sostituti delle proteine bovine, come i polimeri naturali che sono più abbondanti e quindi meno costosi e più facili da scalare per la produzione futura.