Vetro per elettrodi di batterie

Gli esperti di energia lo sottolineano ripetutamente da tempo: in futuro avremo bisogno di molta più elettricità (pulita) per sostituire i combustibili fossili e ridurre le emissioni di CO₂-emissioni. Ad esempio, i veicoli elettrici stanno per sostituire le auto a benzina sulle nostre strade. Tuttavia, sono necessarie batterie migliori e più efficienti per consentire ai veicoli elettrici di raggiungere lunghe distanze o alle batterie dei telefoni cellulari di durare il più a lungo possibile. I sistemi di accumulo svolgono un ruolo importante anche nel passaggio alle fonti di energia rinnovabile, per immagazzinare l'elettricità in eccesso proveniente da centrali eoliche o solari e per compensare le fluttuazioni nella fornitura di energia.

I ricercatori sono quindi alla ricerca febbrile di nuovi materiali che abbiano una maggiore densità di energia e capacità di carica rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, pur mantenendo lo stesso volume e peso. Queste batterie forniscono energia affidabile ai nostri smartphone, alle auto elettriche e ai computer portatili, ma non riescono a tenere il passo con la crescente domanda di batterie. "Abbiamo bisogno di nuovi materiali e di una chimica completamente nuova per sviluppare batterie più sicure, migliori e durature", afferma Semih Afyon, personale scientifico dell'Istituto dei materiali elettrochimici, riassumendo l'idea di base della ricerca sulle batterie.

Particelle di vetro al posto dei cristalli

Gli scienziati dell'ETH guidati da Semih Afyon e dal professore emerito di chimica Reinhard Nesper hanno fatto una scoperta in questo senso. Dopo diversi anni di ricerca, hanno scoperto un materiale che potrebbe raddoppiare le prestazioni delle batterie. Si tratta di un vetro vanadato-borato che i ricercatori stanno utilizzando come materiale catodico, come hanno recentemente riportato sulla rivista "Scientific Reports".

Il materiale è costituito da precursori di pentossido di vanadio (V₂O₅) e il borato di litio (LiBO).₂), che è stato anche rivestito con ossido di grafite ridotto (RGO), che migliora le prestazioni del materiale come elettrodo.

I ricercatori hanno utilizzato un composto a base di vanadio perché esistono numerosi stati di ossidazione del vanadio. Il pentossido di vanadio, ad esempio, può assorbire tre ioni di litio carichi positivamente in forma cristallina - tre volte di più rispetto al fosfato di ferro e litio, utilizzato nei catodi attuali.

Tuttavia, il pentossido di vanadio cristallino non è in grado di rilasciare tutti gli ioni di litio immagazzinati e ammette solo pochi cicli stabili di carica e scarica. Questo perché gli ioni di litio penetrano nel reticolo cristallino durante la carica, causando un rigonfiamento generale delle particelle dell'elettrodo, per poi ridursi non appena gli ioni lasciano le particelle. Questo può portare alla modifica della struttura del materiale dell'elettrodo e alla perdita dei contatti.

I ricercatori hanno quindi dovuto trovare una soluzione per garantire che il materiale dell'elettrodo mantenesse la sua struttura, massimizzando al contempo la capacità. Hanno quindi pensato di utilizzare un "vetro" di vanadio invece di una forma cristallina. Il vetro ha una struttura cosiddetta amorfa, in cui gli atomi non sono disposti in un reticolo regolare come in un cristallo, ma in un'accozzaglia selvaggia.

Produzione semplice ed economica

Per produrre il materiale per il catodo della batteria, gli scienziati hanno mescolato pentossido di vanadio in polvere con borati che formano il vetro. "Il vetro risultante da questa miscela è un nuovo tipo di materiale, quindi alla fine non è né pentossido di vanadio né borato di litio", spiega il ricercatore. Il vanadio (V⁵⁺) è ancora la sostanza attiva che assorbe gli ioni di litio quando la batteria si scarica.

I ricercatori hanno fuso la polvere a 900°C e hanno raffreddato la fusione il più rapidamente possibile. In questo modo si sono ottenute piastrine di vetro sottilissime, che sono state ridotte in polvere prima dell'uso per aumentare la superficie e creare spazio per i pori. "Uno dei principali vantaggi del vetro borato di vanadato è la sua produzione semplice ed economica", sottolinea Afyon. Questo aumenta le possibilità di applicazione industriale".

Per creare un elettrodo ad alte prestazioni, i ricercatori hanno anche rivestito la polvere di vanadato-borato con ossido di grafite ridotto (RGO). Questo aumenta la conduttività da un lato e protegge le particelle dell'elettrodo dall'altro. Tuttavia, non ostacola il trasporto di elettroni e ioni di litio attraverso l'elettrodo.

Afyon ha infine utilizzato il nuovo materiale per progettare il catodo, che ha utilizzato nei prototipi di batterie a bottone.

Fino al doppio della potenza

Per i test, il ricercatore ha sottoposto questi prototipi a numerosi cicli di carica e scarica. Nei test iniziali con elettrodi di vanadato-borato non rivestiti di RGO, la capacità di scarica è diminuita drasticamente dopo 30 cicli di carica-scarica non appena la quantità di carica immagazzinata è stata aumentata a 400 milliampere per grammo (mA/g). Con il rivestimento RGO, invece, la capacità è rimasta stabile dopo 100 cicli di carica-scarica, anche a tassi di corrente piuttosto elevati.

Una batteria con un elettrodo di vanadato-borato rivestito di RGO aveva una densità energetica di circa 1000 wattora per chilogrammo. Ha raggiunto una capacità di scarica di ben 300 mAh/g (milliampereora per grammo). Inizialmente la capacità era di 400 mAh/g, ma è diminuita nel corso dei cicli di carica e scarica.

"Questa energia sarebbe comunque sufficiente per alimentare un telefono cellulare per una durata da una volta e mezza a due volte superiore a quella delle attuali batterie agli ioni di litio", stima Afyon. Inoltre, potrebbe aumentare di una volta e mezza l'autonomia di un'auto elettrica. Tuttavia, questi dati sono ancora solo matematici.

Brevetto e ulteriore sviluppo

Il nuovo materiale è interessante anche per l'industria: l'azienda Belenos, con cui i ricercatori hanno collaborato, ha già presentato un'iscrizione al brevetto per lo sviluppo. I buoni risultati ottenuti dai ricercatori con il vetro vanadato-borato li hanno incoraggiati a condurre ulteriori ricerche. Un consorzio guidato da Jennifer Rupp, professoressa di materiali elettrochimici, di cui Afyon è leader del progetto, sta lavorando a un nuovo tipo di batteria allo stato solido. L'elettrodo di vanadato-borato è già stato utilizzato e testato in questo sistema. Ora si sta lavorando per ottimizzare il sistema. In particolare, il numero di cicli di carica-scarica deve ancora essere notevolmente aumentato, il che potrebbe essere ottenuto con una migliore progettazione della batteria e dell'elettrodo, nonché con rivestimenti alternativi al posto dell'ossido di grafite ridotto, spiega Afyon.