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Batterie più durature per laptop
Le batterie convenzionali agli ioni di litio nei laptop e nei telefoni cellulari perdono rapidamente la loro capacità di immagazzinare energia e possono prendere fuoco se vengono sovraccaricate o danneggiate. Ora i ricercatori a Laboratorio Nazionale Argonne ad Argonne, IL, hanno sviluppato materiali compositi per batterie che possono rendere tali batterie più sicure e più longeve, aumentando al contempo la loro capacità di immagazzinare energia del 30 percento.
Particelle potenti: I nuovi materiali per elettrodi della batteria agli ioni di litio, mostrati qui al microscopio elettronico, possono immagazzinare più energia, e quindi in modo più sicuro, rispetto alle batterie agli ioni di litio convenzionali nei laptop e nei telefoni cellulari.
Il mese scorso, i ricercatori hanno compiuto un passo significativo verso la commercializzazione della tecnologia concedendola in licenza a un'importante società di fornitura di materiali, Toda Kogyo, con sede in Giappone. L'azienda ha la capacità di produrre i materiali per circa 30 milioni di batterie per laptop all'anno, afferma Gary Henriksen, che gestisce la ricerca sullo stoccaggio elettrochimico ad Argonne.
I nuovi materiali sono un esempio di una nuova generazione di prodotti chimici per elettrodi agli ioni di litio che affrontano le carenze delle tradizionali batterie agli ioni di litio. Ognuno ha i suoi compromessi. Ad esempio, un altro materiale chiamato litio ferro fosfato ha una sicurezza e una durata migliori rispetto ai materiali Argonne, ma immagazzina un po' meno energia rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. I materiali di Argonne migliorano la sicurezza e l'affidabilità delle batterie dei laptop di oggi, immagazzinando anche più energia.
I ricercatori di Argonne hanno migliorato le prestazioni degli elettrodi positivi aumentando la stabilità chimica e strutturale dei materiali già utilizzati nelle batterie dei laptop. Nelle batterie convenzionali agli ioni di litio, che hanno elettrodi in ossido di cobalto, una piccola quantità di surriscaldamento, causata dal sovraccarico del materiale o da cortocircuiti elettrici all'interno di una batteria, può portare a temperature in rapido aumento all'interno della cella e, in alcuni casi, alla combustione. Questo perché, quando il materiale si surriscalda, l'ossido di cobalto cede facilmente ossigeno, che reagisce con il solvente nell'elettrolita della batteria e genera più calore, alimentando le reazioni. I ricercatori di Argonne hanno affrontato questo problema sostituendo parte dell'ossido di cobalto con ossido di manganese, che è chimicamente più stabile.
Il passo successivo dei ricercatori è stato quello di sostituire alcuni dei materiali di ossido di metallo attivo nell'elettrodo con un materiale correlato ma elettrochimicamente inattivo, formando un composito. Questo materiale non immagazzina energia, perché non rilascia e non assorbe ioni di litio mentre la batteria viene caricata e scaricata. (Le batterie agli ioni di litio creano corrente elettrica mentre gli ioni di litio fanno la spola tra gli elettrodi positivo e negativo.) Il materiale inattivo rende il composito più stabile rispetto ai materiali degli elettrodi convenzionali, il che significa che può durare più a lungo. Una versione del materiale può durare per 1.500 cariche e scariche senza perdere molta capacità, dice. È più del doppio della durata delle normali batterie per laptop.
Inoltre, ridurre la quantità di materiale attivo che immagazzina energia ha l'effetto controintuitivo di aumentare la capacità di stoccaggio del composito. Se viene rimosso troppo litio dai materiali convenzionali di ossido di cobalto, il materiale si degrada e perde rapidamente la sua capacità di caricarsi e scaricarsi completamente. Il materiale inattivo consente di utilizzare molto più litio senza danneggiare il materiale.
Il materiale degli elettrodi può immagazzinare dal 45 al 50 percento in più di energia rispetto ai migliori elettrodi nelle batterie dei laptop. In termini di un'intera cella della batteria, dato che l'elettrodo positivo rappresenta meno della metà del peso e del volume totali di una cella della batteria, l'accumulo di energia totale della batteria può essere migliorato dal 20 al 30%, afferma Henriksen.
Il prossimo passo dei ricercatori è migliorare la velocità con cui il materiale composito può essere caricato e scaricato in modo che possa essere utilizzato nei veicoli ibridi. Come è fatto ora, il materiale Argonne può essere completamente scaricato in circa tre ore, abbastanza veloce per i laptop ma troppo lento per un'auto. Le velocità di scarica dovranno essere almeno tre volte più veloci, e probabilmente di più, affinché la tecnologia funzioni negli ibridi plug-in, veicoli in cui la batteria può essere ricaricata da una presa elettrica convenzionale.
Yet-Ming Chiang, professore di scienza e ingegneria dei materiali al MIT, afferma che il nuovo materiale rappresenta un miglioramento significativo rispetto all'ossido di litio e cobalto per le batterie dei laptop. Se ci pensi in termini di un campo che cresce dall'8 al 9% all'anno, ti sei appena risparmiato tre anni. Potresti aver scavalcato la concorrenza, dice. Sono sicuro che chiunque produca batterie per cellulari e laptop sarebbe molto felice di avere quel tipo di vantaggio.