Un ingrediente comune nel dentifricio, il fluoruro di sodio è costituito da fluoro. Viene aggiunto per proteggere i denti dalla carie.
Ma i composti che contengono fluoro hanno altri usi pratici che potrebbero sorprenderti. Gli scienziati dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto un elettrolita di fluoro che potrebbe proteggere una batteria di nuova generazione dal calo delle prestazioni. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Comunicazioni sulla natura.
Per saperne di più:
« Una nuova entusiasmante generazione di tipi di batterie per veicoli elettrici oltre agli ioni di litio è all’orizzonte », ha affermato Zhengcheng (John) Zhang, capogruppo della divisione Scienze chimiche e ingegneria di Argonne.
Nuova tecnologia delle batterie
- I prodotti chimici delle batterie non agli ioni di litio offrono il doppio o più di energia immagazzinata in un dato volume o peso rispetto agli ioni di litio;
- Potrebbero alimentare auto su distanze molto maggiori e persino camion e aerei a lungo raggio un giorno;
- L’aspettativa è che l’uso diffuso di queste batterie aiuterà a risolvere il problema del cambiamento climatico;
- Il problema principale è che la sua elevata densità di energia diminuisce rapidamente con ripetute cariche e scariche.
Uno dei principali concorrenti ha un anodo (elettrodo negativo) in litio metallico al posto della grafite normalmente utilizzata nelle batterie agli ioni di litio. Si chiama quindi una batteria « litio metallico ».
Il catodo (elettrodo positivo) è un ossido metallico contenente nichel, manganese e cobalto (NMC). Sebbene sia in grado di fornire più del doppio della densità di energia possibile con una batteria agli ioni di litio, questa eccellente prestazione si esaurisce rapidamente in meno di cento cicli di carica-scarica.
La soluzione del team prevedeva la commutazione dell’elettrolita, il liquido attraverso il quale gli ioni di litio si muovono tra il catodo e l’anodo per implementare la carica e la scarica. Nelle batterie al litio metallico, l’elettrolita è un liquido costituito da sale contenente litio disciolto in un solvente.
La radice del problema della vita a ciclo breve è che l’elettrolita non forma uno strato protettivo adeguato sulla superficie dell’anodo durante i primi cicli. Questo strato, chiamato anche interfase elettrolitica solida (SEI), funge da gatekeeper, consentendo agli ioni di litio di passare liberamente dentro e fuori dall’anodo per caricare e scaricare la batteria, rispettivamente.
Il team ha scoperto un nuovo solvente al fluoro che mantiene un robusto strato protettivo per centinaia di cicli. Accoppia un componente fluorurato caricato positivamente (catione) con un diverso componente fluorurato caricato negativamente (anione). Questa combinazione è ciò che gli scienziati chiamano un liquido ionico, un liquido costituito da ioni positivi e negativi.
« La principale differenza nel nostro nuovo elettrolita è la sostituzione degli atomi di idrogeno con il fluoro nella struttura ad anello della parte cationica del liquido ionico », ha affermato Zhang. « Ha fatto la differenza nel mantenere prestazioni elevate per centinaia di cicli in una cella di prova al litio metallico. »
Per comprendere meglio il meccanismo alla base di questa differenza su scala atomica, il team ha utilizzato le risorse di calcolo ad alte prestazioni dell’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), la struttura per gli utenti del DOE Office of Science.
Come ha spiegato Zhang, le simulazioni sul supercomputer Theta dell’ALCF hanno rivelato che i cationi di fluoro aderiscono e si accumulano sulle superfici dell’anodo e del catodo prima di qualsiasi ciclo di carica-scarica. Quindi, durante le prime fasi del ciclo, si forma uno strato SEI più resiliente di quanto fosse possibile con gli elettroliti precedenti.
La microscopia elettronica ad alta risoluzione presso l’Argonne e il Pacific Northwest National Laboratory ha rivelato che lo strato SEI altamente protettivo sull’anodo e sul catodo ha portato al ciclo stabile.
Il team è stato in grado di mettere a punto il rapporto tra solvente fluorurato e sale di litio per creare uno strato con proprietà ideali, incluso lo spessore SEI che non è né troppo spesso né sottile.
Grazie a questo strato, gli ioni di litio possono fluire efficacemente dentro e fuori dagli elettrodi durante la carica e la scarica per centinaia di cicli.
Il nuovo elettrolita del team offre anche molti altri vantaggi. È a basso costo perché può essere prodotto con una purezza estremamente elevata e una resa in un unico passaggio piuttosto che in più passaggi.
È ecologico perché utilizza molto meno solvente, che è volatile e può rilasciare contaminanti nell’ambiente. Ed è più sicuro perché non è infiammabile.
« Le batterie al litio metallico con il nostro elettrolita cationico fluorurato possono potenziare notevolmente l’industria dei veicoli elettrici », ha affermato Zhang. « E l’utilità di questo elettrolita si estende senza dubbio ad altri tipi di sistemi di batterie avanzati oltre agli ioni di litio ».
Con informazioni da Tech Explore
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