Billy Hurley, Digital Editorial Manager
Le batterie metallo-aria sono leggere, fonti di energia compatte con un’alta densità energetica, ma hanno avuto un grosso limite: Si corrodono.
Un nuovo progetto del Massachusetts Institute of Technology usa l’olio per ridurre la corrosione e prolungare la durata delle batterie metallo-aria monouso.
La chiave: Olio.
Per prevenire il deterioramento del metallo, i ricercatori del MIT hanno posto una barriera di olio tra l’elettrodo di alluminio e l’elettrolita – il fluido tra i due elettrodi della batteria che mangia l’alluminio quando la batteria è in standby.
L’olio viene rapidamente pompato via e sostituito con elettrolita non appena la batteria viene utilizzata.
Come risultato, la perdita di energia è tagliata a solo 0.02 per cento al mese – più di un miglioramento di mille volte, secondo il team del MIT.
I risultati sono stati riportati la scorsa settimana sulla rivista Science dall’ex studente laureato del MIT Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Keck Professor of Energy Yang Shao-Horn, e dal professore di ingegneria meccanica Douglas P. Hart.
Come funziona esattamente una batteria metallo-aria?
Una batteria metallo-aria usa un qualche tipo di metallo (come l’alluminio) come anodo, l’aria come catodo, insieme a un elettrolita liquido.
Nel caso dell’alluminio, l’ossigeno dell’aria si combina poi con il metallo per creare idrossido di alluminio, che attiva il processo di elettrolisi e crea una corrente.
Perché l’alluminio attrae l’acqua, l’elettrolito rimanente spesso si aggrappa alle superfici dell’elettrodo di alluminio, anche dopo che l’elettrolito viene scaricato dalla cella.
“Le batterie hanno strutture complesse, quindi ci sono molti angoli in cui l’elettrolito può rimanere impigliato”, ha detto Hopkins.
I molti angoli portano a molte opportunità di corrosione.
Hopkins e il suo team, tuttavia, hanno posto una sottile barriera a membrana tra gli elettrodi della batteria; entrambi i lati della membrana sono riempiti con un elettrolita liquido quando la batteria è in uso.
Quando la batteria viene messa in standby, l’olio viene pompato nel lato più vicino all’elettrodo di alluminio, che protegge la superficie di alluminio dall’elettrolita sull’altro lato della membrana.
L’alluminio, quando è immerso in acqua, respinge l’olio dalla superficie. Quando la batteria viene riattivata e l’elettrolito viene pompato di nuovo nella cella, l’elettrolito sposta facilmente l’olio dalla superficie di alluminio, che ripristina la potenza della batteria.
Il risultato è un prototipo di alluminio-aria con una durata molto più lunga di quella delle batterie convenzionali alluminio-aria. Quando la batteria è stata usata ripetutamente e poi messa in standby per uno o due giorni, il progetto del MIT è durato 24 giorni, mentre il progetto convenzionale è durato solo tre.
Anche quando l’olio e un sistema di pompaggio sono inclusi nei pacchetti di batterie primarie alluminio-aria in scala, sono ancora cinque volte più leggeri e due volte più compatti dei pacchetti di batterie ricaricabili agli ioni di litio per veicoli elettrici, hanno riferito i ricercatori.
Oggi, le batterie alluminio-aria sono utilizzate come fonti di alimentazione di riserva. Il professor Hart ha parlato con Tech Briefs sul perché crede che il nuovo design un giorno troverà la sua strada oltre le applicazioni di nicchia e nei veicoli elettrici.
Tech Briefs: Perché le batterie metallo-aria sono preziose?
Douglas Hart, professore di ingegneria meccanica: Sono batterie ad altissima densità di energia. Sono considerate batterie primarie, cioè non sono ricaricabili. In questo caso l’alluminio viene consumato.
E l’alluminio è estremamente abbondante, a differenza di molti altri metalli che sono fatti per fare le batterie. L’alluminio è uno dei materiali più abbondanti sulla Terra, ed è distribuito in tutto il mondo, quindi non è qualcosa che un paese possiede.
Tech Briefs: Dove si usano attualmente le batterie metallo-aria?
Uno dei problemi con i generatori di riserva è che ci mettono un po’ a entrare in funzione e usano il diesel, che può andare a male. Così, molti ospedali hanno batterie alluminio-aria come sistemi di backup; quando la corrente va giù, possono tornare online molto rapidamente, almeno abbastanza a lungo per un sistema di alimentazione secondaria per entrare in linea.
Phinergy , una società in Israele, sta facendo batterie alluminio-aria per i range extender delle auto. C’è un piano per includerli, così se si esaurisce l’energia elettrica da una batteria in un veicolo elettrico, la batteria alluminio-aria dovrebbe entrare in funzione e farvi percorrere le miglia extra per portarvi a una stazione di ricarica. Sono fondamentalmente un sistema di batterie che può essere sostituito, proprio perché hanno un’energia molto più alta di una batteria agli ioni di litio.
Tech Briefs: Quali sono i limiti delle batterie metallo-aria?
Prof. Hart: Una volta che le accendi, non puoi spegnerle. L’unico modo per fermare la reazione è quello di scaricare l’elettrolita dal sistema. E quando lo fai, ogni volta c’è un po’ di elettrolito che rimane sulla superficie metallica della batteria e la corrode. Dopo un po’ di tempo, puoi rimettere l’elettrolito, ma non partirà più; la batteria si corrode, e sulla superficie questo sottoprodotto la blocca. Alcuni hanno scoperto che si può sciacquare con acqua, ma l’acqua viene contaminata dagli elettroliti.
Tech Briefs: Perché è così importante mitigare l’effetto della corrosione?
Prof. Hart: Ti piacerebbe essere in grado di usare queste batterie in qualcosa come un’automobile; vorresti parcheggiarla nel tuo vialetto, lasciarla lì per una settimana, tornare e aspettarti che riparta. Queste batterie si consumano lentamente, quindi si perde molta energia. La densità di energia diventa inutile allora perché si sta consumando da sola.
La gente ha cercato tutti i tipi di modi per mitigare questo processo di corrosione. Hanno cercato prodotti chimici migliori per la superficie dell’alluminio e delle leghe. Abbiamo scoperto un approccio molto semplice: Invece di sciacquare con l’acqua, sostituiamo semplicemente l’elettrolita con l’olio.
Tech Briefs: Qual è stata la reazione a questa idea?
Prof. Hart: La prima reazione di tutti è stata: “Stai scherzando? Il petrolio tapperà tutto e lo distruggerà”. Si è scoperto che in presenza dell’elettrolita, l’alluminio preferisce lavorare con l’elettrolita piuttosto che con l’olio. L’olio in realtà non sporca le cose. Semplicemente sposta l’elettrolita, spegne la reazione (perché non è conduttivo), e non appena si rimette l’elettrolita, riparte subito. Ma ancora meglio, possiamo lavarlo con lo stesso olio più e più volte e non contaminare mai il sistema.
Tech Briefs: È una caratteristica di design facile da incorporare?
Prof. Hart: La membrana è in realtà una cosa molto facile da mettere in opera. In realtà può essere costruita sul catodo stesso prima di essere installato. È una modifica molto semplice alla tecnologia delle batterie esistenti. È una membrana sottile per proteggere il catodo, perché il catodo è un materiale ad alta superficie di contatto. La membrana fornisce una longevità a lungo termine al materiale catodico. Permette anche l’uso di oli che non sono stabili come altri oli.
Tech Briefs: In quali tipi di applicazioni si prevede di utilizzare questo nuovo design?
Prof. Hart: Estensori di gamma per le auto è certamente una buona applicazione. Uno dei motivi per cui la gente ha paura di comprare auto elettriche è perché sono spaventati a morte di rimanere senza energia. E questo verrebbe usato soprattutto come sistema di backup per superare la paura di non avere abbastanza energia per arrivare al prossimo sistema di ricarica.
Tech Briefs: Saranno ancora usati come fonti di alimentazione di riserva?
Prof. Hart: In questo momento, molte persone hanno piccoli generatori nelle loro case, ma questi producono monossido di carbonio, quindi sono molto pericolosi da usare. Le batterie alluminio-aria sono un dispositivo molto più sicuro da avere in cantina rispetto a un generatore di riserva. Se salta la corrente, puoi accenderlo. Se torna la corrente, la puoi spegnere. E una batteria alluminio-aria è certamente ottima per l’uso in ospedale, e per i sistemi di alimentazione di backup per i server di dati.
Tech Briefs: Le batterie metallo-aria sono un’opzione praticabile ora rispetto, diciamo, alla batteria agli ioni di litio?
Prof. Hart: In questo momento, se si volesse fare il nostro sistema di trasporto e convertirlo tutto in veicoli elettrici, la gente ha indicato le batterie agli ioni di litio; certamente, Tesla sta usando batterie agli ioni di litio. Ma le batterie agli ioni di litio richiedono litio, che è di proprietà di un sottoinsieme di paesi nel mondo. Questo rende la situazione politicamente difficile.
La parte peggiore è che semplicemente non c’è abbastanza cobalto per fare abbastanza batterie per tutte le auto nel mondo. Devono trovare un’alternativa al cobalto. Alcuni esperti dicono che saranno in grado di sostituire il cobalto con il nichel. Dobbiamo trovare un sistema alternativo di batterie per rendere praticabili cose come i sistemi di stoccaggio, perché semplicemente non abbiamo abbastanza cobalto e nichel.
L’alluminio è una grande fonte di energia per qualsiasi tipo di sistema di trasporto. Potrei vederlo usato negli aerei e in altri posti dove si potrebbero usare batterie standard. Di nuovo, non si possono ricaricare. Sono più un combustibile che un puro dispositivo di immagazzinamento dell’energia.
Tech Briefs: Qual è il prossimo passo del suo team per quanto riguarda questa ricerca?
Prof. Hart: Spero che venga scelto da uno dei produttori di batterie commerciali. Penso che abbia un grande potenziale, e mi piacerebbe vederla utilizzata. Abbiamo mostrato tutto quello che ci serve in termini di ricerca in laboratorio, e penso che ora debba essere implementato in un sistema reale e provato per un’applicazione commerciale.
Tech Briefs: Cosa hanno dimostrato i risultati? Quanto bene si comporta la batteria?
Prof. Hart: Fenomenalmente. Brandon è stato in grado di dimostrare che si può accendere e spegnere per tutta la durata della batteria, e non c’è quasi nessun degrado, a differenza dei sistemi precedenti. Essenzialmente questo lavoro gli ha dato la capacità di spegnersi come una normale batteria, in modo che non rimanga lì a corrodersi mentre sta nel tuo vialetto, se vuoi.
Questo significa, per qualcosa come un ospedale, quando la corrente va via, si può veramente accendere questa cosa, e se non si usa tutta l’energia che è nella batteria, si può spegnere la batteria e usarla di nuovo la prossima volta. Normalmente, si potrebbe avere un’interruzione di corrente che avviene per qualche minuto, poi la corrente ritorna. Hai consumato questa batteria molto costosa perché, mentre sta lì, si corrode. Ora, puoi accenderla e spegnerla a piacimento.