L'alluminio è meglio del litio: da Stanford una nuova batteria rivoluzionaria

L'alluminio è meglio del litio: da Stanford una nuova batteria rivoluzionaria

Un batteria agli ioni di alluminio è più sicura, economica e soprattutto ha una longevità maggiore delle batterie prodotte con le tecnologie attuali. I ricercatori di Stanford propongono un progetto con interessanti potenzialità commerciali

di Andrea Bai pubblicata il , alle 14:31 nel canale Scienza e tecnologia
 

Un nuovo tipo di batteria flessibile agli ioni di alluminio è in grado di stoccare la stessa energia delle batterie tradizionali al piombo-acido e al nickel-metallo idruro ma con la capacità di ricaricarsi in appena un minuto. La nuova batteria, inoltre, è in grado di sopportare un ciclo di vita molto più esteso rispetto alle batterie realizzate con tecnologie tradizionali. Il progetto della batteria, nata nei laboratori della Stanford University sotto la supervisione del professore di chimica Hongjie Dai, potrebbe riservare applicazioni commerciali nel campo dello stoccaggio di energia a livello di rete elettrica, così come nella realizzazione di batterie per dispositivi indossabili o portatili.

Le batterie agli ioni di alluminio sono un'alternativa interessante alle batterie agli ioni di litio per una serie di ragioni. Anzitutto l'alluminio è disponibile in abbondanza e, per questo motivo, è economico. È un materiale abbastanza inerte, il che porta alla realizzazione di batterie più sicure e con un basso grado di infiammabilità. Per la stessa ragione molti team di ricerca stanno lavorando su alternative alle batterie agli ioni di litio studiando le possibilità di impiego di potassio, sodio e manganese.

Dal punto di vista chimico l'alluminio ha tre elettroni di valenza rispetto al solo elettrone del litio. Le reazioni di carica scarica muovono quindi tre eletroni per ciascun atomo, che significa che una batteria in alluminio può contenere il triplo dell'energia di una controparte agli ioni di litio.

Da tempo scienziati e ricercatori hanno tentato di realizzare batterie a base di ioni di alluminio, senza però trovare una strada efficace per sviluppare un adeguato sistema chimico. Tra i vari tentativi: l'impiego di anodi solidi in alluminio, elettroliti liquidi contenenti alluminio e vari materiali di catodo come ossido di manganese, nanocavi di vanadio e polimeri drogati. Il migliore di questi sistemi ha mostrato basse tensioni di scarica, una longevità inferiore a 100 cicli di carica/scarica e notevoli decadimenti nella capacità di stoccaggio dell'energia. Inoltre, in tutti i casi, il catodo ha mostrato una degradazione piuttosto rapida.

Dai e i colleghi sono riusciti ad ideare un catodo che opera molto meglio di quelli usati in precedenza ed è costituto da una schiuma tridimensionale di grafite, altamente porosa e leggera, realizzata in laboratorio. Il materiale può così intrappolare un elevato numero di ioni di alluminio. Gli ioni si muovono velocemente nel materiale, portando quindi a tempi di carica scarica piuttosto rapidi.

I ricercatori hanno inserito il catodo di grafite assieme ad un un sottile foglio di alluminio come anodo e ad un elettrolita ionico liquido all'interno di una sorta di astuccio flessibile. Questa struttura, una vera e propria cella di batteria, può essere ricaricata ad una densità di corrente di 5 ampere per grammo in circa un minuto e, ponendo una capacità specifica vicino a 70mAh per grammo, può essere scaricata in circa 34 minuti.

La densità di energia della batteria, di circa 40Wh per chilogrammo, è comparabile a quella delle batterie al piombo-acido e alle batterie NiMH. Ma la longevità è molto più estesa, pari a circa 7500 cicli di carica senza perdità di capacità. Anche le batterie agli ioni di litio hanno una longevità sensibilmente inferiore, pari a circa 1000 cicli.

La nuova batteria ha una densità di potenza di 3000 watt per chilogrammo, caratteristica che la rende molto simile ad un supercondensatore. L'unica differenza, e che la rende una batteria, è rappresentata dalla stabilità della tensione con cui avviene la scarica: un supercondensatore infatti è caratterizzato da una tensione di scarica che si riduce in maniera continua.

I ricercatori stanno ora lavorando per affinare il progetto e stanno cercando un'alternativa più economica all'elettrolita liquido ionico che possa rendere la batteria più competitiva dal punto di vista commerciale, oltre a verificare la possibilità di incrementare la capacità di stoccaggio dell'energia della grafite usata per costruire il catodo. Dai ha comunque affermato che già alcune aziende si sono fatte avanti per cercare di ottenere una licenza per l'impiego della tecnologia.

30 Commenti
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demon7708 Aprile 2015, 14:39 #1
Dal super eco che sta avendo questa notizia (ieri hanno pure fatto un servizio al tg) forse è la volta buona che vediamo delle novità concrete e applicate in ambito batterie oltre ai soliti annunci..

Purtroppo c'è il problema dei soli due volt di output..
IlNiubbo08 Aprile 2015, 14:50 #2

Dubbi

L'articolo rispetto a quelli di ieri da qualche numero in più sull'energia stoccabile. C'è però qualche contraddizione:

Questo
una batteria in alluminio può contenere il triplo dell'energia di una controparte agli ioni di litio

E' in contraddizione con questo:
La densità di energia della batteria, di circa 40Wh per chilogrammo, è comparabile a quella delle batterie all'acido di piombo e alle batterie NiMH.


Tralasciando che l'acido di piombo non esiste (ma si parla di batterie Piombo-Acido, i due elementi distinti che le costituiscono), non è chiaro quindi cosa significa "controparte" visto che il problema delle batterie sui veicoli (e sui telefoni) è il peso relazionato alla carica.

Poi ho un dubbio: non capisco quale sia il problema dei 2V visto che si può fare una serie. Cosa mi perdo?
sbudellaman08 Aprile 2015, 15:01 #3
anchio non ho capito, dite che può contenere il triplo dell'energia e poi dite che si limita ad un bassissimo 40wh per kg? Quando con gli ioni di litio stiamo sui 150-200 wh/kg ??
Allora SEMMAI UN TERZO!!
In tal caso questa tecnologia con cellulari o dispositivi portatili troverebbe ben pochi impieghi...
MiKeLezZ08 Aprile 2015, 15:09 #4
Originariamente inviato da: demon77
Dal super eco che sta avendo questa notizia (ieri hanno pure fatto un servizio al tg) forse è la volta buona che vediamo delle novità concrete e applicate in ambito batterie oltre ai soliti annunci..

Purtroppo c'è il problema dei soli due volt di output..
Una alternativa valida al litio (pur limitata) sarebbe una conquista eccezionale per l'intera umanità in quanto si avrebbero ripercussioni positive in tutti i campi tecnologici - primo fra tutti (per interesse) senza dubbio l'automobilistico.

Originariamente inviato da: IlNiubbo
L'articolo rispetto a quelli di ieri da qualche numero in più sull'energia stoccabile. C'è però qualche contraddizione:

Questo

E' in contraddizione con questo:

Tralasciando che l'acido di piombo non esiste (ma si parla di batterie Piombo-Acido, i due elementi distinti che le costituiscono), non è chiaro quindi cosa significa "controparte" visto che il problema delle batterie sui veicoli (e sui telefoni) è il peso relazionato alla carica.
In effetti non ho capito neppure io, alla fine a parità di ingombri e peso queste nuove batterie contengono più o meno carica delle attuali al litio?

Poi ho un dubbio: non capisco quale sia il problema dei 2V visto che si può fare una serie. Cosa mi perdo?
Che una serie (in realtà, parallelo) non innalza il valore di tensione di uscita, ma viene utilizzata solo per aumentare la capacità.
Ogni tecnologia di batteria ha una tensione di uscita caratteristica (o meglio, un intorno della stessa, in quanto vi è un declino) e per quella al litio va da 2,7V a 4,2V, da qui il valore tipicamente standard di 3,65V.
Con 2V è difficile alimentare molti dispositivi elettronici attuali (anche se con la diminuzione della nanometria questo potrebbe presto non costituire più un problema, in quanto come conseguenza vi è una diminuzione della tensione di alimentazione) senza ricorrere all'utilizzo di un innalzatore di tensione (che deve essere a sua volta alimentato e quindi riduce la capacità reale della batteria).
Inoltre, ovviamente, a parità di mAh immagazzinati una stessa batteria che sia agli ioni di Li oppure a questi nuovi ioni di Al avrà energia immagazzinata diversa (1000mAh*2V=2Wh mentre 1000mAh*3,6V=3,6Wh).
IlNiubbo08 Aprile 2015, 15:30 #5
Originariamente inviato da: MiKeLezZ
Una alternativa valida al litio (pur limitata) sarebbe una conquista eccezionale per l'intera umanità in quanto si avrebbero ripercussioni positive in tutti i campi tecnologici - primo fra tutti (per interesse) senza dubbio l'automobilistico.

In effetti non ho capito neppure io, alla fine a parità di ingombri e peso queste nuove batterie contengono più o meno carica delle attuali al litio?

Che una serie (in realtà, parallelo) non innalza il valore di tensione di uscita, ma viene utilizzata solo per aumentare la capacità.
Ogni tecnologia di batteria ha una tensione di uscita caratteristica (o meglio, un intorno della stessa, in quanto vi è un declino) e per quella al litio va da 2,7V a 4,2V, da qui il valore tipicamente standard di 3,65V.
Con 2V è difficile alimentare molti dispositivi elettronici attuali (anche se con la diminuzione della nanometria questo potrebbe presto non costituire più un problema, in quanto come conseguenza vi è una diminuzione della tensione di alimentazione) senza ricorrere all'utilizzo di un innalzatore di tensione (che deve essere a sua volta alimentato e quindi riduce la capacità reale della batteria).
Inoltre, ovviamente, a parità di mAh immagazzinati una stessa batteria che sia agli ioni di Li oppure a questi nuovi ioni di Al avrà energia immagazzinata diversa (1000mAh*2V=2Wh mentre 1000mAh*3,6V=3,6Wh).





Allora il parallelo mantiene la stessa tensione(V), mentre aumenta la capacità (Ah), quindi anche l'energia (Wh) (ed anche la corrente massima e la corrente di carica ma questo ci interessa meno per ora)
Esempio
se metto in parallelo 3 elementi da 2V e 1000Ah ottengo una batteria da 2V e 3000Ah quindi abbiamo 6000Wh (2V x 3 elementi x 1000Ah)

La serie invece mantiene la capacità (Ah), mentre aumenta la tensione (V) e quindi l'energia (Wh)
Esempio
se metto in serie 3 elementi da 2V e 1000Ah ottengo una batteria da 6V e 1000Ah quindi abbiamo 6000Wh (2V x 3 elementi x 1000Ah - si la moltiplicazione è la stessa ed è giusta)




PS con 5A/grammo di corrente di carica per caricare una batteria di 1kg in un minuto ci vogliono 5kA... diventa questo il problema
fraussantin08 Aprile 2015, 15:51 #6
Originariamente inviato da: IlNiubbo
)

Poi ho un dubbio: non capisco quale sia il problema dei 2V visto che si può fare una serie. Cosa mi perdo?


Stessa cosa che ho detto ieri davanti al tv.

Ho si son bevuti qualcosa di peso al tg , o la serie non regge .
@mikelezz

Scusa ma non si possono mettere in parallelo delle serie di 3 batteria in modo da ottenere 6v x n celle?
Darkon08 Aprile 2015, 15:54 #7
Originariamente inviato da: IlNiubbo
Allora il parallelo mantiene la stessa tensione(V), mentre aumenta la capacità (Ah), quindi anche l'energia (Wh) (ed anche la corrente massima e la corrente di carica ma questo ci interessa meno per ora)
Esempio
se metto in parallelo 3 elementi da 2V e 1000Ah ottengo una batteria da 2V e 3000Ah quindi abbiamo 6000Wh (2V x 3 elementi x 1000Ah)

La serie invece mantiene la capacità (Ah), mentre aumenta la tensione (V) e quindi l'energia (Wh)
Esempio
se metto in serie 3 elementi da 2V e 1000Ah ottengo una batteria da 6V e 1000Ah quindi abbiamo 6000Wh (2V x 3 elementi x 1000Ah - si la moltiplicazione è la stessa ed è giusta)




PS con 5A/grammo di corrente di carica per caricare una batteria di 1kg in un minuto ci vogliono 5kA... diventa questo il problema


mmm Sai che figaa avere nel contatore di casa 5.000 ampere... mi domando come diventerebbero i cavi dell'impianto.
X-ray guru08 Aprile 2015, 16:01 #8
Originariamente inviato da: fraussantin

Scusa ma non si possono mettere in parallelo delle serie di 3 batteria in modo da ottenere 6v x n celle?


Certo, visto che le batterie delle automobili sono una serie di 6 celle da 2 V medi, 2,13 V a piena carica.

Il problema dei 2 V per cella non esiste proprio.
X-ray guru08 Aprile 2015, 16:09 #9
Originariamente inviato da: Darkon
mmm Sai che figaa avere nel contatore di casa 5.000 ampere... mi domando come diventerebbero i cavi dell'impianto.


Contando i 2 V della cella, 5.000 ampere sono "solo" 10 kW, una potenza che già puoi ordinare per il contatore di casa tua. Una "piccola" differenza che a casa tua arrivano 230 V, quindi gli ampere circolanti sono circa 100 volte meno che a 2 V.

Se è vero quello che hanno scritto, sono batterie usabili solo mettendo insieme una serie-parallelo di celle, in modo da arrivare sui 100 V ai morsetti, cosicché il caricatore può erogare correnti sopportabili dai cavi che si usano tutti i giorni.

C'è anche il tempo che conta.
Se portiamo i minuti a 10, sono già 500 A, valore molto alto ma già più maneggiabile.
Cappej08 Aprile 2015, 16:15 #10
alluminio? tanta roba, non costerebbe una cippa... è un materiale facilmente reperibile!

2V sono davvero pochi... ma con una spolverata di GRAFENE arriveranno a veicolare un paio ci Gigavolts su cavi da 0.01 mm !

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