La ricerca investe in nuove batterie innovative ad elettrodi liquidi

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ARPA-E sta finanziando diversi progetti negli Stati Uniti che utilizzano elettrodi di batteria liquidi per ridurre costi e aumentare la densità di energia immagazzinata.

31-03-2014 Fonte

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Nuove batterie innovative immagazzinano l'energia in quello che i ricercatori chiamano "combustibile ricaricabile" - gli elettrodi in forma liquida. Il risultato è che una batteria può essere ricaricata come una batteria convenzionale o sostituendo e pompando il nuovo combustibile al posto della benzina.

I materiali potrebbero teoricamente consentire a un'auto elettrica di viaggiare oltre i 600 km con una carica, cinque volte più lontano rispetto alla maggior parte dei veicoli elettrici secondo i ricercatori che intendono sviluppare questa tecnologia e che hanno sede presso Argonne National Laboratory presso l'Illinois Institute of Technology.

La loro sostituzione in una stazione di rifornimento avrebbe preso solo pochi minuti, al contrario, anche le stazioni di ricarica veloce per le batterie convenzionali impiegano un'ora per fornire una carica completa.

Autonomia limitata e tempi di ricarica lunghi sono due delle più grandi sfide per le auto elettriche. Elettrodi della batteria liquidi possono consentire intervalli d'utilizzo più lunghi, aumentando la quantità di energia immagazzinata e quindi riducendo il numero di componenti necessari in grado di memorizzarla potrebbero renderli anche meno costosi.

Le batterie che utilizzano elettrodi liquidi potrebbero anche essere più sicure di quelli convenzionali, dice Liu Ping, program manager presso l'Agenzia Progetti di Ricerca Avanzati per l'Energia che finanzia l'opera. I materiali degli elettrodi positivi e negativi sarebbero immagazzinati in serbatoi separati, piuttosto che all'interno della stessa cella come in batterie convenzionali: questo potrebbe impedire corti circuiti ed il surriscaldamento che può causare la combustione degli ioni di litio.

La ricerca sui combustibili ricaricabili sono in una fase iniziale, ma ARPA-E l'ha ritenuto promettente annunciando il finanziamento di quattro gruppi che stanno sviluppando la tecnologia. Oltre al progetto Illinois, si stanno sostenendo progetti in General Electric, il National Renewable Energy Laboratory, e 24M, uno spin-off del MIT. (Rigorosamente tutti negli Stati Uniti).

I ricercatori dell'Illinois hanno finora dimostrato il funzionamento di una piccola batteria "half-cell" che utilizza un elettrodo fluido ed uno uno solido. Attraverso il finanziamento di 3,4 milioni dollari il progetto ARPA -E ha iniziato il mese scorso con in programma la costruzione di un prototipo che utilizza liquidi per entrambi gli elettrodi positivi e negativi. Questa batteria dovrebbe immagazzinare un Kwh di energia, abbastanza per un paio di chilometri di guida.

Nelle batterie delle auto elettriche convenzionali, fino al 75 per cento del materiale all'interno di un pacco batteria è costituito da componenti che non memorizzano energia, ma fungono da imballaggio sensori, collegamenti elettrici, sistemi di raffreddamento, e così via, mentre con l'accumulo fluido di energia, almeno in teoria, molto del materiale che può essere eliminato riducendo le dimensioni ed i costi delle batterie.

La chiave è separare i materiali di accumulazione di energia dalle strutture utilizzate per estrarre l'energia e creare corrente elettrica. In una batteria convenzionale, ogni strato di materiale elettrodico è accoppiato con un foglio di carta e una membrana di plastica che permettono agli elettroni e ioni di fluire, creando corrente elettrica. Se si desidera memorizzare più energia, è necessario aggiungere più strati di pellicola e plastica. Nella nuova batteria invece, gli elettrodi fluidi sarebbero immagazzinati in serbatoi e pompati attraverso un dispositivo relativamente piccolo per interagire e generare elettricità. L'aumento di accumulo di energia sarebbe solo una questione di fare i serbatoi di stoccaggio più grandi, mentre il dispositivo in cui viene generata l'elettricità può restare della stessa dimensione.

Gli elettrodi fluidi sono stati studiati come parte di alcuni dispositivi detti flussi di batterie, ma in generale immagazzinano energia in una soluzione diluita che richiede troppo volume per essere utilizzata in una macchina. Alcune batterie hanno elettrodi di metallo fuso che sono più adatti per applicazioni stazionarie (vedi "Better Battery di Ambri"). Ciascuno dei progetti ARPA-E propone di trovare modi per aumentare la densità di energia dei liquidi di un ordine di grandezza. Lo spin-off 24M del MIT è un pioniere in questo campo, dopo aver dimostrato che è possibile sospendere alte concentrazioni di polveri ed elettrodi convenzionali ad alta densità energetica in un liquido ed estrarne energia. La sfida principale sta nell'ottenere una elevata conducibilità elettrica per una batteria di uso pratico.

I ricercatori dell'Illinois hanno un approccio simile, essi sottolineano l'uso di polveri nanometriche che può essere sospeso in concentrazioi molto elevate e può fluire facilmente grazie alle peculiari proprietà di particelle in una piccola scala. Hanno sviluppato anche un nuovo modo di estrarre corrente elettrica dalle particelle e sperano che questo permetterà loro di aumentarne la conduttività, ma i dettagli sono segreti fino al termine del deposito dei brevetti.

Ad ogni modo le batterie ad elettrodi liquidi hanno alcuni svantaggi potenziali: le nanoparticelle possono degradare rapidamente ed i ricercatori che hanno appena iniziato a progettare l'intero sistema, hanno bisogno di progettare un modo per pompare il materiale in modo efficiente e produrre la batteria a buon mercato, inoltre la ricarica delle auto auto mediante i serbatoi con l'utilizzo di materiale nuovo, richiederebbe l'installazione di nuove infrastrutture che potrebbe essere costoso, ma nel frattempo, batterie convenzionali continuano a ottenere risultati sempre più economici ed il miglioramento della tecnologia sta rendendo sempre più veloci i tempi per la ricarica.
Prospettive per le migliori batterie auto di gamma alta e la lavorazione grafite

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Prospettive e scenari di Daniele Boltin, per Il Fatto Quotidiano, che indica quali evoluzione ci potremo aspettare per le migliori batterie auto per i veicoli elettrici di gamma alta ci attendono e di problemi ambientali per la lavorazione grafite a queste associati

29-03-2014 Fonte

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L’auto elettrica? Pulisce l’aria in Occidente, e inquina la Cina. La produzione delle batterie dei veicoli a zero emissioni sarebbe infatti una delle cause principali della pioggia acida in terra cinese. Il ‘colpevole’ è un minerale: la grafite. Si tratta di un componente fondamentale nelle batterie utilizzate dalle automobili ibride ed elettriche, ma anche nei cellulari. In Cina, grazie alle numerose miniere di grafite, si estrae buona parte del fabbisogno mondiale del minerale si svolge buona parte della lavorazione: un processo che ha portato all’inquinamento dell’aria, dell’acqua e delle coltivazioni. Per questo le autorità cinesi hanno iniziato a chiudere diverse miniere, proprio nel momento in cui la domanda di grafite si sta impennando.

Negli Stati Uniti, infatti, Tesla ha investito 5 miliardi di dollari per produrre batterie destinate alle sue auto elettriche di gamma alta, in previsione di un forte aumento delle vendite, ben oltre le 22.300 consegne del 2013. Ogni macchina elettrica ha bisogno di circa 50 chili di grafite, che scendono a 10 nel caso delle ibride. E secondo l’analista Simon Moores, la richiesta che sarà generata da Tesla da sola richiederebbe l’apertura di sei nuove miniere. Una prospettiva che per ora sembra insostenibile in Cina, dove nella provincia di Shangdong, che controlla il 10% delle scorte mondiali, il governo ha disposto la sospensione di 55 processi di lavorazione della grafite, nel tentativo di contenere il livello di inquinamento. Il pericolo più grande, infatti, è l’acido cloridrico, utilizzato per lavorare la grafite e pericoloso per tutte le forme di vita se non viene smaltito correttamente.

Questo scenario, però, sta aprendo nuove prospettive. Vista la crescita della domanda di auto elettriche, e soprattutto di ibride, con Toyota a dominare il panorama mondiale, l’Australia vede montagne di dollari all’orizzonte. Il primo passo in questa direzione è la riapertura della miniera di grafite di Uley, che era stata chiusa negli anni ’80 a causa della concorrenza cinese, che aveva fatto crollare i prezzi. Le previsioni sono a favore di questa scelta, visto che secondo le stime dell’analista Cosmin Laslau, il mercato per la produzione delle migliori batterie auto agli ioni di litio (che usano grafite), crescerà del 52%, portando il giro d’affari a 41 miliardi di dollari entro il 2018. E nonostante la diffusione di elettriche e ibride con i successi nelle prenotazioni di Bmw i3 e i8, e nelle vendite delle Tesla e delle ibride Toyota, il prezzo delle eco car potrebbe rimanere alto anche nei prossimi anni. Secondo Brian Warhsay di Bloomberg, potrebbe esserci una crescita del prezzo della grafite del 30%, che farebbe a sua volta salire il prezzo delle batterie del 5%. Vanificando così, almeno nel breve periodo, l’atteso calo dei prezzi proprio delle batterie, il punto debole delle auto a basse emissioni.
Batterie al Litio Per Veicoli Elettrici: Presente e Futuro

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Le batterie al litio per auto ibride ed elettriche presentano un forte potenziale di sviluppo e delle interessanti possibilità di riciclo. Ma è il litio l’ultima frontiera? I ricercatori della Stanford University sembrano dire di no.

05-09-2013 Fonte

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Le batterie al litio per veicoli ibridi ed elettrici, dopo un periodo di stallo, hanno ricominciato a destare interesse nel mercato, per le interessanti possibilità di sviluppo in termini di affidabilità ed efficienza. I ricercatori del ‘Centro per L’energia Solare e Idrogeno’ di Baden-Württemberg, Germania, hanno recentemente sviluppato delle batterie agli ioni di litio con una straordinaria stabilità di ciclo di carica/scarica ed un rendimento senza eguali, con oltre 10.000 cicli completi raggiunti mantenendo la capacità sopra l’85% del valore iniziale. Le batterie arriverebbero ad avere un ciclo di vita stimato di più di 25 anni, con una potenza specifica di 1.100 Watt per Chilogrammo. La ricerca Tedesca va ad inserirsi nella vasta letteratura riguardante questa tecnologia, che vede paesi come Cina e Giappone in testa al processo innovativo.

Un’interessante caratteristica delle batterie al litio, è la possibilità di un loro smaltimento economicamente vantaggioso e con un risvolto eco-friendly; allo stato attuale delle cose, le batterie al litio possono, infatti, essere vantaggiosamente riciclate. Secondo quanto dichiarato dal ‘Centro Interuniversitario di Ricerca Per lo Sviluppo sostenibile (CIRPS)’, sezione ‘Sistemi per l’Energia e la Mobilità (SEM)’, al termine del ciclo vitale a bordo di un’auto le batterie al litio conservano il 70-80% di capacità residua. Esse possono quindi essere re-impiegate in altri ambiti, come quello industriale, incrementando la propria durata di ulteriori 5-10 anni.

Nonostante il vantaggioso processo di riciclo ed il promettente futuro delle batterie al litio in termini di rendimenti, sembra essere già necessario guardare ad altri orizzonti per prepararsi alla sostituzione di questa tecnologia. Il litio, seppur presente in abbondanza sulla Terra, è una risorsa finita. Esso è stato quantificato nel mondo in circa 28 milioni di tonnellate, con un potenziale di estrazione stimato in circa 11 milioni di tonnellate, ed una concentrazione di presenza della risorsa in Bolivia e nei laghi salati prosciugati delle Ande.

Una valida alternativa alle batterie al litio potrebbe essere l’uso delle poco costose batterie zinco-aria. Ricercatori della Stanford University hanno sviluppato una batteria zinco-aria che presenta unamaggiore attività cataliticae resistenza rispetto alle batterie zinco-aria realizzate finora, tanto da essere accostata alle batterie realizzate con i costosi catalizzatori in platino e iridio. Nonostante la necessità di ulteriori ricerche in materia, lo sviluppo tecnologico relativo alle batterie zinco-aria sembra essere un promettente passo verso un futuro alternativo al litio.

Veronica Cinti