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La rivoluzione delle batterie litio-aria: perché gli scienziati hanno ripreso interesse dopo gli anni 2000?
La batteria litio-aria (Li-air) è una batteria elettrochimica metallo-aria che sfrutta la reazione di ossidazione del litio all'anodo e la reazione di riduzione dell'ossigeno al catodo per generare corrente elettrica. Gli scienziati hanno ipotizzato che combinando il litio con l'ossigeno ambientale si potrebbe teoricamente ottenere una cella elettrochimica con la più alta energia specifica possibile. Secondo la ricerca, teoricamente, le batterie litio-aria anidre possono raggiungere un'energia specifica di circa 40,1 MJ/kg quando caricate (con Li2O2 come prodotto ed escludendo la massa di ossigeno), che è paragonabile all'energia specifica teorica della benzina, che è circa 46,8 MJ/kg. Molto vicino.
Sebbene le prestazioni delle attuali batterie agli ioni di litio non abbiano ancora raggiunto il livello teorico, la loro potenziale energia specifica è circa cinque volte superiore a quella delle batterie agli ioni di litio commerciali e può raggiungere un'autonomia di guida di circa 500 chilometri, il che ha nuovamente attirato l'attenzione della comunità scientifica. Questa tecnologia.
Storicamente, il concetto di batterie litio-aria è stato proposto già negli anni '70, inizialmente come fonte di energia per veicoli elettrici e ibridi. Ma all'epoca si riteneva che il concetto comportasse rischi sproporzionati rispetto ai benefici, a causa delle sfide tecniche che le batterie dovevano affrontare, tra cui il tempo di carica inversa, la sensibilità all'azoto e all'acqua e la scarsa conduttività interna. Di conseguenza, la ricerca sulle batterie litio-aria ha progredito lentamente fino alla fine degli anni 2000, quando il settore ha riacquistato interesse grazie ai progressi nella scienza dei materiali.
Progettazione e meccanismo di funzionamento
Il principio di funzionamento di base delle batterie litio-aria è che gli ioni di litio si muovono tra l'anodo e il catodo in un elettrolita. Durante la scarica della batteria, gli elettroni vengono convertiti in energia elettrica tramite un circuito esterno, mentre gli ioni di litio si spostano verso il catodo. Durante la carica, il litio metallico si deposita sull'anodo e l'ossigeno viene rilasciato sul catodo.
Sfide del catodo e dell'anodo
Nella progettazione delle batterie litio-aria, solitamente si utilizza come anodo il litio metallico. Il litio rilascia elettroni all'anodo, ma ciò pone anche l'anodo ad affrontare molteplici sfide, come la reazione con l'elettrolita, la deposizione di litio dendritico e cambiamenti chimici all'interfaccia dell'elettrolita. Queste sfide possono comportare una riduzione della capacità energetica o creare un rischio di cortocircuiti.
Sul lato del catodo, la reazione di riduzione dell'ossigeno presenta anche problemi di eccessivo accumulo di prodotto e bassa efficienza del catalizzatore, che influiscono notevolmente sulle prestazioni essenziali delle batterie agli ioni di litio.
Innovazione negli elettroliti
Per affrontare le sfide tecniche sopra menzionate, i ricercatori hanno iniziato a esplorare una varietà di tipologie di elettroliti, tra cui elettroliti acquosi acidi, alcalini e anacrosi. Ogni approccio basato sugli elettroliti presenta vantaggi e svantaggi specifici, ma tutti possono essere ulteriormente migliorati.
Commercializzazione e prospettive future
Sebbene le prestazioni delle batterie litio-aria in laboratorio siano incoraggianti, restano ancora molte difficoltà da superare per arrivare alla commercializzazione. Ad esempio, è necessario affrontare questioni quali la stabilità a lungo termine e il ciclo di vita. La domanda di batterie da parte dell'industria automobilistica, in particolare di batterie ad alta densità energetica, continua a essere la principale forza trainante per lo sviluppo delle batterie al litio-aria.
Date le doppie pressioni della domanda di elettricità e dei problemi ambientali, gli scienziati non fermeranno mai la loro ricerca. Riusciranno a trovare una soluzione rivoluzionaria in futuro che porterà alla commercializzazione della tecnologia delle batterie al litio-aria?
In futuro, le batterie agli ioni di litio potrebbero diventare la scelta più diffusa per la guida dei veicoli elettrici. Questo non solo perché la loro elevata densità energetica può aumentare significativamente l'autonomia di guida, ma anche perché potrebbero rendere più efficiente lo stoccaggio dell'energia rinnovabile. Tuttavia, gli attuali limiti della tecnologia impongono ai ricercatori di continuare a lavorare intensamente ed esplorare percorsi più innovativi. Arriverà il giorno in cui le batterie agli ioni di litio cambieranno davvero il nostro modo di viaggiare con i veicoli elettrici?
