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Batterie impermeabili al litio-aria
Un'azienda con sede a Berkeley, in California, sta sviluppando batterie leggere e ad alta energia che possono utilizzare l'aria circostante come catodo. PolyPlus sta collaborando con un'azienda di produzione per sviluppare batterie al litio metallo-aria monouso per il governo e prevede che queste batterie saranno sul mercato entro pochi anni. La società ha anche batterie ricaricabili al litio metallo-aria nelle prime fasi di sviluppo che potrebbero eventualmente alimentare veicoli elettrici che possono durare più a lungo tra una ricarica e l'altra.
Potere dell'acqua : Un prototipo di batteria realizzato da PolyPlus utilizza il litio metallico come anodo e l'acqua salata come catodo per alimentare un LED. Quando la batteria si scarica, gli ioni di litio si diffondono nell'acqua, ma il dispositivo non danneggia il pesce pagliaccio circostante.
L'interesse per le batterie litio metallo-aria è cresciuto negli ultimi anni, insieme alla domanda di fonti di alimentazione più leggere per dispositivi che vanno dai veicoli ibridi plug-in ai laptop. Nelle batterie agli ioni di litio, gli elettrodi sono realizzati con materiali come la grafite, mentre in una batteria al litio-metallo, l'anodo è costituito interamente da litio metallico e l'aria circostante può fungere da catodo.
Le batterie al litio si avvicinano alla densità energetica delle celle a combustibile senza l'impianto idraulico necessario per questi dispositivi; in teoria, la densità di energia massima è superiore a 5.000 wattora per chilogrammo, ovvero più di 10 volte quella delle odierne batterie agli ioni di litio. Le batterie al litio metallo-aria sono anche molto leggere perché non è necessario trasportare un secondo reagente. Il metallo di litio è il materiale della batteria del Santo Graal, afferma Steven Visco, direttore tecnico e fondatore di PolyPlus.
IBM ha recentemente annunciato che svilupperà batterie al litio metallo-aria per la rete energetica e per i trasporti. Gli ioni di litio sono il gold standard, ma quello che può batterlo è il litio metallico, dice Paul Beach , presidente del produttore di batterie Quallion di Sylmar, CA.
L'uso del litio metallico come elettrodo della batteria, tuttavia, si è rivelato problematico, principalmente perché il materiale reagisce rapidamente e violentemente con l'acqua. Le persone hanno pensato alle batterie al litio-aria per decenni, ma c'è sempre acqua nell'aria, afferma Visco. L'esposizione anche a tracce d'acqua degrada rapidamente il materiale.
PolyPlus ha risolto questo problema sviluppando quello che l'azienda chiama un elettrodo al litio protetto. Il dispositivo è costituito da un pezzo piatto e rettangolare di metallo al litio ricoperto su entrambi i lati da un materiale elettrolitico ceramico chiamato lisicon. L'elettrolita solido è impermeabile all'acqua ma lascia passare gli ioni di litio. Un altro rivestimento protegge l'elettrolita dalla reazione con il metallo di litio. E infine, i bordi del dispositivo sono sigillati con un laminato polimerico di alluminio simile a un sacchetto di patatine. Il laminato fornisce una tenuta stagna ed è flessibile, quindi non crea alcuno sforzo quando l'elettrodo si restringe con l'uso.
Quando l'elettrodo di litio-metallo viene posto in acqua, gli ioni di litio fuoriescono e reagiscono con l'ossigeno disciolto nell'acqua o con l'acqua stessa. Per realizzare una batteria al litio metallo-aria, il dispositivo è dotato di un elettrodo a diffusione di gas simile a quelli utilizzati per le batterie degli apparecchi acustici zinco-metallo. Quando la batteria è accesa, l'elettrodo aspira ossigeno attraverso la membrana per reagire con gli ioni di litio. Ma a differenza delle batterie per apparecchi acustici, questi dispositivi non si scaricano automaticamente nel tempo. Puoi lasciare la batteria sullo scaffale per mesi e aspettarti che funzioni perché la membrana la protegge, dice Visco. E poiché sono basate su metallo al litio ad alta energia, queste batterie durano molto più a lungo e sono più leggere delle batterie zinco-aria.
PolyPlus sta attualmente testando batterie al litio metallo-acqua di mare in collaborazione con il Istituto di ricerca sull'acquario di Monterey Bay per determinare se possono sopportare condizioni di lavoro reali. Una delle preoccupazioni è che i microrganismi nell'oceano cresceranno sulla superficie delle batterie e ne comprometteranno il funzionamento, sebbene i test preliminari abbiano prodotto buoni risultati.
Le batterie monouso realizzate dall'azienda impiegano un pezzo di metallo al litio di circa due centimetri quadrati e di tre millimetri di spessore; hanno una capacità di archiviazione vicina a quella delle batterie agli ioni di litio nei laptop di oggi a un quinto del peso. L'azienda ha stretto una partnership con il produttore di batterie Quallion per produrre batterie basate sui progetti di elettrodi di PolyPlus e produrrà batterie sotto contratto per un'agenzia governativa sconosciuta. Quallion afferma che gli elettrodi in metallo di litio possono essere elaborati utilizzando gran parte dell'infrastruttura già in atto per la produzione di batterie agli ioni di litio. Sono necessarie alcune precauzioni per maneggiare il materiale, ma non ci sono trucchi per farlo, afferma Beach.
Le batterie al litio-metallo hanno il potenziale per essere trasformative per le applicazioni subacquee, afferma James Bellingham , capo tecnologo del Monterey Bay Aquarium Research Institute. La maggior parte delle ricerche oceaniche si svolge vicino alla costa perché, come dice Bellingham, nell'oceano non ci sono prese per ricaricare le navi autonome cariche di sensori che monitorano i mari. Le batterie a maggiore densità energetica potrebbero consentire un monitoraggio molto migliore degli effetti dei cambiamenti climatici sul pianeta, afferma Bellingham.