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Una batteria per auto a metà prezzo
L'anno scorso, la startup di batterie A123 Systems ha creato un'altra società, chiamata 24M, per sviluppare un nuovo tipo di batteria pensata per far andare più lontano i veicoli elettrici e costare meno. Ora un documento di ricerca pubblicato in Materiali energetici avanzati rivela i primi dettagli su come funzionerebbe quella batteria. Affronta anche le sfide nel portare la batteria sul mercato.
Prototipo di batteria: Nel dispositivo mostrato qui vengono alimentati due materiali per elettrodi simili a fanghi. Il materiale dell'anodo scorre nella metà superiore e il catodo scorre nella parte inferiore. Gli ioni di litio passano da un materiale all'altro e gli elettroni fluiscono attraverso i cavi nero e rosso.
Un grosso problema con le batterie agli ioni di litio utilizzate nei veicoli elettrici e negli ibridi plug-in è che solo il 25% circa del volume della batteria è occupato da materiali che immagazzinano energia. Il resto è costituito da materiali inattivi, come imballaggi, pellicole conduttive e colle, che rendono le batterie ingombranti e rappresentano una parte significativa del costo.
24M intende ridurre notevolmente il materiale inattivo in una batteria. Secondo le stime del nuovo documento, le sue batterie potrebbero raggiungere quasi il doppio della densità di energia degli odierni pacchi batteria per veicoli. Le batterie con una maggiore densità di energia sarebbero più piccole ed economiche, il che significa che le auto elettriche e ibride sarebbero meno costose. Il documento stima che le batterie potrebbero costare fino a $ 250 per chilowattora, meno della metà di quanto costano ora.
Un pacco batteria convenzionale è composto da centinaia di celle. Ogni cella contiene una pila di molti elettrodi sottili e solidi. Questi elettrodi sono accoppiati con collettori di corrente a lamina metallica e separati l'uno dall'altro da pellicole di plastica. L'aumento dell'accumulo di energia richiede l'aggiunta di più strati di materiale per elettrodi, che a sua volta richiede più strati di lamina metallica e pellicola di plastica.
Il design di 24M consente di aumentare l'accumulo di energia senza la lamina di metallo e la pellicola di plastica extra. La differenza fondamentale è che gli elettrodi non sono pellicole solide impilate in una cella, ma materiali simili a fanghi immagazzinati in serbatoi, uno per il materiale dell'elettrodo positivo e un altro per l'elettrodo negativo.
I materiali vengono pompati dai serbatoi in un piccolo dispositivo, dove si muovono attraverso canali scavati in blocchi di metallo. Quando ciò accade, gli ioni si spostano da un elettrodo all'altro attraverso lo stesso tipo di materiale separatore utilizzato in una batteria convenzionale. Gli elettroni escono dal materiale verso un circuito esterno. In questo progetto, aumentare l'accumulo di energia è semplice quanto aumentare le dimensioni dei serbatoi di stoccaggio: il dispositivo che consente agli elettrodi di interagire rimane delle stesse dimensioni. Il design elimina anche la necessità di collegare insieme centinaia di celle per ottenere un adeguato accumulo di energia.
La nuova batteria è simile a qualcosa chiamato batteria a flusso, in cui due elettroliti vengono pompati l'uno sull'altro. Ma le batterie a flusso convenzionali sono circa 10 volte più grandi del nuovo design perché utilizzano soluzioni di accumulo di energia diluita, il che le rende poco pratiche per l'uso nelle auto.
I ricercatori, guidati da Eppure-Ming Chiang , professore di scienza dei materiali al MIT e fondatore di A123 Systems e 24M, ha testato vari materiali per gli elettrodi, incluso l'ossido di litio e cobalto, comunemente usato nelle batterie dei laptop. Hanno dimostrato che il dispositivo può caricare e scaricare alle velocità necessarie nei veicoli elettrici, afferma Chiang.
Il documento descrive anche come i ricercatori affrontano una delle maggiori sfide del progetto: estrarre la carica elettrica dai fanghi. In una normale cella agli ioni di litio, gli elettroni si fanno strada saltando attraverso le particelle conduttive collegate nell'elettrodo solido fino a raggiungere un collettore di corrente. Nella nuova batteria, gli elettroni non fluiranno attraverso l'elettrolita. Quindi Chiang e colleghi hanno mescolato particelle di carbonio su scala nanometrica nel fango; le particelle formano spontaneamente reti interconnesse nel fluido per fornire percorsi per la fuga degli elettroni.
Rimangono delle sfide prima che la batteria possa essere commercializzata. La conduttività elettrica è ancora circa 100 volte inferiore a quella che dovrebbe essere in un sistema pratico, afferma Chiang. Sta anche lavorando per aumentare la concentrazione di materiali attivi nei fanghi.
Jeff Dahn , un professore di fisica e chimica alla Dalhousie University, osserva che per raggiungere i livelli di potenza necessari per azionare un'auto, la cella elettrochimica dovrebbe comunque essere grande: il materiale separatore dovrebbe coprire un'area di circa tre metri per quattro metri . Potrebbe essere tagliato in pezzi gestibili e impilato, ma questo potrebbe complicare il sistema e anche con questo approccio la cella potrebbe essere ingombrante, dice.
Stiamo facendo buoni progressi sulla tecnologia, afferma Throop Wilder, CEO di 24M. L'accettazione della carta è una forte convalida dei principi fondamentali che guidano il nostro sviluppo. 24M è composto da circa 20 dipendenti e ha raccolto circa 16 milioni di dollari.
È un dispositivo molto intelligente, afferma Dahn. Non so se sarà mai più di un'idea su un giornale, ma Chiang ha già sorpreso le persone.