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Il mistero delle batterie litio-aria: perché sono considerate le future star dei veicoli elettrici?
Con l'aumento della domanda di veicoli elettrici e di energie rinnovabili, le batterie litio-aria (Li-air) sono rapidamente diventate il fulcro del settore, grazie alla loro densità energetica teoricamente elevata. Le batterie litio-aria sono celle elettrochimiche metallo-aria che generano corrente elettrica attraverso l'ossidazione del litio all'anodo e la riduzione dell'ossigeno al catodo. Si dice che la batteria, che utilizza il litio per reagire con l'ossigeno presente nell'ambiente, abbia il potenziale per raggiungere una densità energetica paragonabile a quella della benzina nei motori a combustione interna.
In teoria, la densità energetica delle batterie litio-aria può raggiungere circa 40,1 MJ/kg, ovvero 11,14 kWh/kg, il che ne conferisce un potenziale senza pari per l'impiego nei veicoli elettrici.
Secondo le ricerche esistenti, anche la densità energetica effettiva delle batterie litio-aria è piuttosto impressionante, attestandosi a circa 6,12 MJ/kg (1,7 kWh/kg). Questi dati superano di gran lunga quelli delle attuali batterie agli ioni di litio in commercio e possono teoricamente consentire a un veicolo elettrico di pesare fino a 2.000 kg di percorrere circa 500 chilometri. Tuttavia, per raggiungere la commercializzazione, le batterie litio-aria devono ancora affrontare sfide importanti, come la potenza pratica e la durata del ciclo.
Storia
Il concetto di batterie agli ioni di litio-aria è emerso per la prima volta negli anni '70, quando venivano considerate principalmente una potenziale fonte di energia per veicoli elettrici e ibridi. Tuttavia, le sfide tecnologiche hanno tenuto il concetto in sospeso per decenni, ma i progressi nella scienza dei materiali hanno portato a un rinnovato interesse per questa tecnologia negli anni 2000.
Sebbene i progressi tecnologici nelle batterie litio-aria siano stati impressionanti, sfide quali il tempo di ricarica della batteria, la sensibilità all'umidità e la scarsa conduttività del materiale Li2O2 rimangono ostacoli significativi alla commercializzazione.
Progettazione e funzionamento
Le batterie litio-aria sono solitamente costituite da un anodo, un catodo e un elettrolita. Durante la scarica, gli ioni di litio si muovono tra l'anodo e il catodo attraverso l'elettrolita e gli elettroni viaggiano attraverso un circuito esterno per svolgere lavoro elettrico. Durante la carica, il litio metallico si deposita sull'anodo e l'ossigeno viene rilasciato sul catodo.
Anodo
Rispetto ad altri materiali metallici, il litio metallico è la scelta principale per l'anodo nelle batterie agli ioni di litio-aria. L'elevata capacità specifica degli anodi al litio (3.840 mAh/g) in buone condizioni è senza dubbio uno dei loro vantaggi, ma devono anche affrontare sfide come le reazioni tra il litio metallico e l'elettrolita e il rischio di dendriti di litio, che possono ridurre le prestazioni della batteria. e durata della vita.
Attualmente, molte parti stanno cercando di affrontare gli impatti negativi del litio dendritico attraverso nuovi materiali elettrolitici o una progettazione migliorata dell'interfaccia.
catodo
La gassificazione del catodo è una delle tecnologie fondamentali delle batterie litio-aria e la reazione di riduzione dell'ossigeno è fondamentale per l'efficienza della batteria. Lo studio ha evidenziato che i catalizzatori metallici coordinati con carbonio mesoporoso possono migliorare efficacemente la cinetica di riduzione e le prestazioni di capacità specifica del catodo, consentendogli di fornire prestazioni migliori nelle applicazioni pratiche.
Diversità degli elettroliti
Attualmente, esistono quattro percorsi principali per la progettazione dell'elettrolita delle batterie litio-aria: elettrolita acido acquoso, elettrolita alcalino acquoso, elettrolita protonico non acquoso ed elettrolita anaacqueo. Ogni elettrolita ha i suoi vantaggi e svantaggi. Ad esempio, gli elettroliti acquosi possono evitare l'intasamento del catodo, ma la reazione del litio metallico all'acqua comporterà nuovi rischi per la sicurezza.
Il design ibrido dell'elettrolita acquoso-anacquoso cerca di combinare i vantaggi di entrambi per creare una batteria agli ioni di litio-aria più sicura ed efficiente.
Prospettive e sfide future
Oltre alle questioni tecniche, le sfide che devono affrontare le batterie agli ioni di litio includono l'affidabilità, la convenienza e l'accettazione da parte del mercato. Poiché la domanda di batterie con densità energetica più elevata continua ad aumentare, la comunità della ricerca scientifica e le aziende collegate stanno lavorando duramente per risolvere questi problemi. \
ConclusioneIl potenziale teorico e le prospettive di applicazione pratica delle batterie litio-aria sono interessanti, ma per garantirne il successo nel mercato dei veicoli elettrici sono ancora molte le barriere tecniche e di mercato da superare. C'è ancora tempo per dimostrare se le batterie agli ioni di litio-aria potranno diventare la scelta principale per i veicoli elettrici in futuro e come realizzare questo ideale.
