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.