Batterie al litio metallico di lunga durata? La soluzione è “meno litio”

Un team di scienziati del Pacific Northwest National Laboratory ha creato una batteria ricaricabile che può contenere fino a 10 volte l’energia delle batterie a ioni di litio e che dura per 600 cicli




Nuovo traguardo le batterie al litio metallico, una delle più promettenti alternative alla tecnologia a ioni di litio. Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), istituto di ricerca del Dipartimento statunitense dell’Energia, sono riusciti a portare la durata di questi dispositivi fino a 600 cicli. In altre parole, dopo aver caricato e scaricato per 600 volte il loro prototipo, la capacità risultava ancora sopra il 76% di quella iniziale. Un significativo passo avanti che potrebbe permettere a questi dispositivi d’accumulo di entrare di diritto nel mondo della mobilità elettrica.

D’altra parte le batterie al litio metallico possiedono già caratteristiche preziose ai fini dell’e-mobility. L’idea alla base di questa tecnologia è quella di sostituire la grafite utilizzata per l’anodo con puro metallo di litio, che può contenere fino a 10 volte l’energia contenuta nella grafite. Peccato che continui ad avere problemi di longevità: le versioni sviluppate sino ad oggi sono destinate a guastarsi velocemente con l’uso a causa di alcune complesse reazioni che si verificano attorno all’elettrodo.

“Molte persone hanno pensato che uno strato di litio più spesso avrebbe consentito alla batteria di durare più a lungo”, afferma Jie Xiao, ricercatore del PNNL e autore dell’articolo su Nature Energy. “Ma non è sempre vero. C’è uno spessore ottimizzato per ogni batteria al litio-metallo a seconda dell’energia della sua cella e del design“.

Gli scienziati hanno usato strisce molto sottili di litio come base per il loro anodo, ciascuna con una larghezza di appena 20 micron; molto più sottili di un capello umano. L’elettrodo è stato quindi inserito in una batteria con cella a sacchetto (pouch), con una densità di energia di 350 Wh/kg. A titolo di confronto, le migliori batterie agli ioni di litio in uso oggi hanno una densità variabile da 250 a 300 Wh/kg.

Durante i test, il team ha scoperto che la batteria a litio metallico ha mantenuto il 76% della sua capacità dopo di 600 cicli. Due anni fa il valore arrivava a malapena a 200 cicli. Il team attribuisce il successo del progetto al modo in cui le sottilissime strisce facilitano l’interfase solido-elettrolita che si forma sull’anodo. E avendo risolto un problema chiave per le batterie al litio metallico, gli autori sperano di continuare a migliorare la tecnologia attraverso un consorzio multi-istituto noto come Battery500, che sta lavorando per raggiungere una densità energetica di 500 Wh/kg.

fonte: www.rinnovabili.it

#RifiutiZeroUmbria - Sostienici nelle nostre iniziative, anche con un piccolo contributo su questo IBAN IT 44 Q 03599 01899 050188531897. Grazie!

#Iscriviti QUI alla #Associazione COORDINAMENTO REGIONALE UMBRIA RIFIUTI ZERO (CRU-RZ) 

Sottoscrivi la Newsletter di RifiutiZeroUmbria

=> Seguici su Blogger 

https://rifiutizeroumbria.blogspot.com
=> Seguici su Facebook 

https://www.facebook.com/groups/rifiutizeroumbria
=> Seguici su Twitter 

https://twitter.com/Cru_Rz
=> Seguici su Telegram 

http://t.me/RifiutiZeroUmbria
=> Seguici su Youtube 

https://www.youtube.com/user/RifiutiZeroUmbria

Così l’intelligenza artificiale sta accelerando lo sviluppo di batterie più veloci, efficienti e durature

Un gruppo di ricercatori sta testando protocolli di carica e durata con algoritmi di autoapprendimento. Vediamo come.





Sarà l’intelligenza artificiale a far decollare le prestazioni delle batterie?

È ancora presto per dare una risposta sicura, ma nei laboratori si stanno già sperimentando algoritmi che potrebbero aiutare a sviluppare accumulatori di energia sempre più efficienti, sicuri e veloci da ricaricare.

D’altronde, ottimizzare il rendimento e la durata delle batterie al litio è un obiettivo essenziale, nell’ambito della transizione verso la mobilità elettrica e verso l’impiego massiccio di fonti rinnovabili nella generazione di elettricità, con la conseguente necessità di installare impianti di accumulo stazionario.

Così tra 2019 e 2020 un gruppo di scienziati di università e centri di ricerca negli Stati Uniti – tra cui Stanford University, Massachusetts Institute of Technology e Toyota Research Institute – ha utilizzato l’intelligenza artificiale per elaborare delle previsioni su prestazioni e durata delle batterie.

In pratica, hanno usato quelle che un articolo di Wired chiama “camere elettrochimiche della tortura” dove le celle delle batterie sono caricate/scaricate rapidamente decine di volte al giorno.

L’obiettivo è generare un flusso di dati da dare in pasto agli algoritmi di autoapprendimento.

E l’intelligenza artificiale, a forza di elaborare enormi quantità di dati, impara a svolgere autonomamente dei compiti che le sono stati assegnati in fase di training (apprendimento/allenamento), in questo caso a predire, sulla base delle esperienze passate, il tasso di rendimento delle batterie durante il loro ciclo di vita.

Il punto è che normalmente gli esperimenti di questo tipo richiedono parecchi mesi: bisogna, infatti, testare continuamente le batterie finché iniziano a degradarsi, per raccogliere i dati che consentono di predire le prestazioni future delle batterie sotto determinate condizioni di utilizzo.

Con l’intelligenza artificiale, invece, si può velocizzare tutto.

Possono bastare poche ore di autoapprendimento con flussi continui di dati, per formulare previsioni attendibili.

In una seconda ricerca, gli stessi scienziati hanno impiegato l’intelligenza artificiale per definire protocolli ottimali per la ricarica veloce delle batterie.

In circa un mese hanno ottenuto risultati che, senza algoritmi, avrebbero richiesto un paio d’anni di lavoro.

Gli algoritmi di autoapprendimento, infatti, macinando flussi di dati, hanno scoperto metodi ottimali per caricare le batterie al litio in pochi minuti senza deteriorare le prestazioni in termini di affidabilità e durata; ricordiamo che la carica super-veloce è un fattore di elevato stress per le batterie, quindi la sfida è trovare l’equilibrio tra velocità e durata.

Con gli algoritmi poi si possono testare molti altri aspetti delle batterie: uso di differenti materiali, ricette chimiche, composizione di anodo/catodo, densità energetica ottimale, e così via.

Vedremo se, a un certo punto, queste sperimentazioni usciranno dai laboratori, per sfociare in nuove batterie realizzate sulla base dei dati e delle previsioni uscite dai super computer delle intelligenze artificiali.

fonte: www.qualenergia.it

#RifiutiZeroUmbria - Sostienici nelle nostre iniziative, anche con un piccolo contributo su questo IBAN IT 44 Q 03599 01899 050188531897. Grazie!

=> Seguici su Twitter - https://twitter.com/Cru_Rz
=> Seguici su Telegram - http://t.me/RifiutiZeroUmbria

Le batterie al litio che diventano quasi immortali

Scienziati dell’Università della California hanno inventato una batteria agli ioni di litio con elettrodi a base di nanofili in oro rivistiti con un coating di biossido di manganese. Ha sopportato 200.000 cicli di carica-scarica senza nessuna frattura. Grazie a un elettrolita costituito da un gel con caratteristiche chimico-fisiche simili al plexiglass.

Un gruppo di ricerca dell'Università della California Irvine (UCI) ha inventato una batteria agli ioni di litio che può essere ricaricata centinaia di migliaia di volte con un'estrema stabilità, rendendo quindi più vicino lo sviluppo di batterie che non richiederebbero di essere sostituite dopo un certo numero di anni di funzionamento.

Le strutture di base di queste nuove batterie sono chiamate “nanofili” per le dimensioni (dell’ordine del nanometro: 10^-9 metri) e perché si tratta di materiali conduttori, allungati e sottili.

Gli scienziati hanno utilizzato nanofili in oro rivestiti di biossido di manganese (MnO2). Migliaia di volte più sottili di un capello umano, questi nanofili sono altamente conduttivi e garantiscono una grande superficie per lo stoccaggio e il trasferimento di elettroni.

Nessuna frattura in 200.000 cicli di carica-scarica

Sono stati usati nanofili d'oro (sviluppati su supporto in vetro) con dimensioni di 240 nm (lunghezza) e 35 nm (spessore) e i ricercatori hanno condotto le proprie analisi modificando lo spessore del rivestimento di biossido di Manganese (tra 143 e 300 nm).

Ricerche precedenti avevano dimostrato che i nanofili sono troppo deboli e non reggono a ripetuti cicli di carica e scarica e gli scienziati hanno risolto questo problema proprio tramite il coating in biossido di Manganese.

Il materiale (nanofili e coating) è stato inserito in un elettrolita costituito da un gel con caratteristiche chimico-fisiche simili al plexiglass e questa combinazione è risultata assai resistente, visto che nel corso di tre mesi sono stati realizzati 200.000 cicli di carica-scarica senza che siano state rilevate perdite di capacità o fratture nei nanofili (tipicamente, nanofili di questo tipo riescono a resistere al massimo a 5.000-7.000 cicli). I risultati sono stati pubblicati sull’American Chemical Society’s Energy Letters (vedi allegato in basso).

Perché la batteria è così resistente?

I ricercatori UCI hanno utilizzato intenzionalmente dei nanofili molto lunghi rispetto alla loro larghezza al fine di rivelare o amplificare gli effetti di eventuali guasti. I ricercatori spiegano che nessun guasto è stato rilevato grazie al fatto che il gel ha plastificato l'ossido di metallo nella batteria, conferendole elasticità e prevenendo così le fratture.

Lo studio nasce da una collaborazione tra l’Università della California e il Nanostructures for Electrical Energy Storage Energy Frontier Research Center all’University of Maryland, con un finanziamento del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Poiché si tratta di un’attività di ricerca di base, è ancora presto per parlare di tempistiche per la messa in commercio di sistemi di stoccaggio dell’energia a base di nanofili, come anche dei costi di queste eventuali batterie.

Non solo nanofili in oro

Ma non sono unicamente i nanofili in oro a essere al centro dell’attenzione del mondo scientifico per lo sviluppo di batterie innovative e più performanti. In giro per il mondo sono diversi i gruppi di ricerca attivi nell’indagine di materiali innovativi.

Ad esempio, la Vanderbilt University (Tennessee) e la George Washington University (Washington State) hanno sviluppato un nuovo processo alimentato dall’energia solare che permette di sottrarre anidride carbonica dall’atmosfera e usarla in batterie agli ioni di litio o al sodio grazie a nanotubi di carbonio. Questi materiali consentono di rendere economicamente conveniente la cattura della CO2 (tramite l’uso delle rinnovabili) e migliorare la qualità delle batterie.

In un’altra ricerca condotta da scienziati dell'Università di Cambridge e dell'Istituto di Tecnologia di Pechino, sono state realizzate delle batterie litio-zolfo (Li-S) a base di grafene usato come ponte tra le diverse componenti. In tal modo, si sono ottenuti accumulatori che garantiscono una maggiore densità energetica. Lo zolfo è stato usato per la realizzazione del catodo. È un elemento economico, con una maggiore tolleranza al sovraccarico, minore tossicità e peso inferiore rispetto ai tradizionali ioni di litio. Secondo i ricercatori, utilizzare un catodo di zolfo consente di risolvere le problematiche connesse all’efficienza delle batterie e al degrado delle stesse.

I prezzi delle batterie tendono a scendere

Se la ricerca scientifica sta facendo dei passi in avanti nello sviluppo di batterie innovative e con lunghezze di vita molto maggiori di quelle attuali, i prezzi dei dispositivi già in commercio tendono comunque a scendere.

Dal 2010 il prezzo medio delle batterie dei veicoli elettrici è sceso da una media di 1.000 dollari per kWh ai 350 per kWh del 2015, con una diminuzione di ben il 35% tra il 2014 e il 2015. Questo secondo il rapporto “Global Trends in Renewable Energy Investment 2016” realizzato da Unep (United Nations Environment Programme) e da Bnef (Bloomberg New Energy Finance). La ragione principale consiste nei buoni risultati del mercato di veicoli elettrici e ibridi plug-in (+60% fra il 2014 e il 2015 a livello mondiale). 

fonte: http://www.qualenergia.it