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Rivisitare le batterie al litio-zolfo
Le batterie al litio-zolfo, che possono potenzialmente immagazzinare molte volte più energia delle batterie agli ioni di litio, sono state storicamente troppo costose, pericolose e inaffidabili per essere prodotte commercialmente. Ma ora stanno ottenendo un nuovo aspetto, a causa di alcuni recenti progressi. I miglioramenti al design di queste batterie hanno portato il gigante chimico BASF di Ludwigshafen, in Germania, per collaborare con Potere Sion , un'azienda di Tucson, in Arizona, che ha già sviluppato prototipi di celle per batterie al litio-zolfo.
Potere di zolfo: Questo prototipo di batteria al litio-zolfo è stato sviluppato da Sion Power. In collaborazione con BASF, l'azienda intende migliorare il design della batteria per l'utilizzo nei veicoli elettrici.
Rispetto alle tecnologie esistenti utilizzate nei veicoli elettrici, il piano è quello di aumentare la distanza di guida almeno da 5 a 10 volte, per una data dimensione della batteria, afferma Thomas Weber, CEO di una consociata di BASF chiamata BASF Future Business . Altri esperti affermano che un triplice miglioramento è una stima più ragionevole, ma sarebbe comunque un impressionante salto di prestazioni. Weber afferma che l'esperienza di BASF nei materiali aiuterà Sion Power a migliorare ulteriormente la sua tecnologia e a portarla sul mercato più velocemente. Tuttavia, ha rifiutato di fornire dettagli sull'accordo, inclusi quanti soldi sono coinvolti e come le società condivideranno gli eventuali profitti.
Le batterie al litio-zolfo hanno un elettrodo in litio e un altro in zolfo che è tipicamente accoppiato al carbonio. Come per le batterie agli ioni di litio, la carica e la scarica della batteria comportano il movimento degli ioni di litio tra i due elettrodi. Ma la capacità teorica delle batterie al litio-zolfo è superiore a quella delle batterie agli ioni di litio a causa del modo in cui gli ioni vengono assimilati agli elettrodi. Ad esempio, all'elettrodo di zolfo, ogni atomo di zolfo può ospitare due ioni di litio. In genere, nelle batterie agli ioni di litio, per ogni atomo ospite, possono essere alloggiati solo 0,5-0,7 ioni di litio, afferma bella nazar , professore di chimica all'Università di Waterloo.
Realizzare materiali che sfruttassero questa maggiore capacità teorica è stata una sfida. Un grosso problema è stato che lo zolfo è un materiale isolante, il che rende difficile l'ingresso e l'uscita di elettroni e ioni. Quindi, mentre ogni atomo di zolfo può in teoria essere in grado di ospitare due ioni di litio, in realtà spesso solo quegli atomi di zolfo vicino alla superficie del materiale accettano ioni di litio.
Un altro problema è che quando lo zolfo si lega agli ioni di litio, formando infine solfuro di dilitio, forma una serie di prodotti intermedi chiamati polisolfuri. Questi si dissolvono nell'elettrolita liquido della batteria e alla fine possono depositarsi in altre aree della batteria, dove possono bloccare la carica e la scarica. Per questo motivo, la batteria può smettere di funzionare del tutto dopo solo poche dozzine di cicli.
Inoltre, l'elettrodo al litio metallico presenta potenziali problemi di sicurezza. Ad esempio, durante l'uso, l'elettrodo al litio può far crescere strutture ramificate che aumentano l'impedenza della cella, provocandone il riscaldamento. Alla fine queste strutture possono causare un cortocircuito. Se la batteria si surriscalda, il metallo può fondersi. Se il litio fuso fuoriesce dalla cella ed entra in contatto con l'acqua, può provocare un incendio. Anche l'elettrolita della batteria può prendere fuoco.
Sebbene abbia rifiutato di fornire dettagli specifici, Weber afferma che questi problemi di sicurezza sono stati risolti. L'obiettivo di BASF è migliorare ulteriormente i materiali per accedere a più della loro capacità teorica, cosa che dice che l'azienda ha un piano chiaro per fare.
In termini di risoluzione dei problemi di sicurezza, tre progressi potrebbero spiegare la fiducia di Weber. I metodi per trattare chimicamente gli elettrodi in metallo di litio possono prevenire almeno la formazione di dendriti, sebbene non tutti i ricercatori siano convinti che questo approccio sarà sufficiente. Inoltre, membrane polimeriche e ceramiche migliorate che separano i due elettrodi e resistono alla perforazione dei dendriti potrebbero prevenire i cortocircuiti. Le batterie, tuttavia, potrebbero essere ancora vulnerabili al cortocircuito se danneggiate. Per prevenire gli incendi di elettroliti, Nazar afferma che gli elettroliti meno volatili potrebbero essere utilizzati con le batterie al litio-zolfo perché hanno una tensione inferiore rispetto alle batterie agli ioni di litio.
Altri problemi, tra cui la bassa conduttività e un numero limitato di cicli di ricarica, sembrano essere stati affrontati almeno in parte da Sion Power. L'azienda ha prodotto celle che immagazzinano più del doppio di energia rispetto alle batterie agli ioni di litio oggi disponibili, qualcosa che BASF spera di migliorare. E Weber afferma che le batterie possono durare la vita di un'auto, anche se questo potrebbe essere basato sulle proiezioni di Sion Power, piuttosto che sulle prestazioni misurate.
John Kopera, direttore delle operazioni commerciali di Sion Power, afferma che le attuali batterie dell'azienda sono classificate per 50 cicli e che ha un piano completo per raggiungere circa 1.000 cicli. (È sufficiente per un massimo di 300.000 miglia di guida, con un pacco batteria che fornisce un'autonomia di 300 miglia.)
Entrambe le società tengono per sé i dettagli dei loro progressi. Ma questa settimana, sul diario Materiali della natura, Nazar ha descritto un possibile approccio per risolvere questi problemi. In passato, i ricercatori hanno migliorato la conduttività combinando lo zolfo con il carbonio. Nazar ha fatto un passo avanti prendendo elettrodi composti da tubi di carbonio regolarmente distanziati e rendendoli larghi solo pochi nanometri. (La loro struttura è diversa da quella dei nanotubi di carbonio.) Il team di Nazar ha quindi inserito lo zolfo negli spazi su scala nanometrica tra questi tubi, in modo che la maggior parte degli atomi di zolfo si trovi vicino al carbonio conduttivo, rendendoli accessibili sia agli elettroni che agli ioni di litio.
I tubi di carbonio hanno anche aiutato a risolvere il problema dei polisolfuri, che possono uccidere una cellula prematuramente. I tubi di carbonio intrappolano efficacemente i polisolfuri in posizione fino a quando non vengono completamente convertiti in solfuro di dilitio, che non avvelena la batteria. Rivestire il carbonio con un polimero che ha un'affinità per i polisolfuri aiuta anche a mantenerli in posizione. Ma non è chiaro se BASF potrebbe anche provare un elettrodo nanostrutturato per migliorare i materiali di Sion. Finora, Sion Power non ha utilizzato materiali nanostrutturati, afferma Kopera. Una sfida con l'approccio di Nazar è che sarà difficile produrre gli elettrodi del tubo di carbonio in volumi elevati.
Alcuni problemi probabilmente rimangono. Per prima cosa, le batterie possono essere costose: il litio metallico è la forma più costosa di litio. Inoltre, non sono ancora disponibili dati precisi su quanti cicli di ricarica possono essere sottoposti alle batterie e su come rispondono ai test di sicurezza. Tuttavia, afferma Nazar, la tecnologia ha sicuramente fatto molta strada. I nostri sviluppi e quelli di un paio di altre società lo stanno sicuramente permettendo di essere molto più vicino alla realtà.