Le batterie a base d’acqua possono essere un’alternativa al litio

Le batterie a base d'acqua prive di metalli sono uniche e completamente diverse da quelle che utilizzano il cobalto nella sua forma di ioni di litio. L’attenzione del gruppo di ricerca su questo tipo di batterie deriva dal desiderio di avere un maggiore controllo sulla catena di approvvigionamento nazionale, poiché il cobalto e il litio vengono generalmente acquistati in altri paesi. Inoltre, una chimica più sicura delle batterie potrebbe prevenire potenziali incendi.

Professore di ingegneria chimica dott. Jodie Lutkenhaus e il professore assistente di chimica Dr. Daniel Tabor ha pubblicato le sue scoperte sulle batterie prive di litio sulla rivista Nature Materials.

"Non ci sarebbero più incendi di batterie perché tutto è a base d'acqua", ha detto Lutkenhaus. "Se in futuro si verificasse la prevista carenza di materiali, il prezzo delle batterie agli ioni di litio aumenterà notevolmente. Se disponiamo di una batteria alternativa, possiamo rivolgerci a questa chimica dove la fornitura è molto più stabile perché possiamo produrle negli Stati Uniti e i materiali per realizzarle sono disponibili qui”.

Lutkenhaus ha anche affermato che le batterie ad acqua sono costituite da un catodo, un elettrolita e un anodo. Catodi e anodi sono polimeri che possono immagazzinare energia e l'elettrolita è acqua mescolata con sali organici. L'elettrolita è fondamentale per la conduzione ionica e l'accumulo di energia attraverso l'interazione con l'elettrodo.

"Se l'elettrodo si gonfia troppo durante i suoi cicli, non può condurre molto bene gli elettroni e si perdono le prestazioni complessive", ha detto. "Credo che ci sia una differenza del 1.000% nella capacità di accumulo di energia a seconda della scelta dell'elettrolita a causa degli effetti di rigonfiamento."

Secondo il loro articolo, i polimeri radicalici (elettrodi) redox-attivi e non coniugati sono candidati promettenti per batterie ad acqua prive di metalli grazie all'elevata tensione di scarica dei polimeri e alla rapida cinetica redox. La reazione è complessa e di difficile soluzione a causa del trasferimento simultaneo di elettroni, ioni e molecole d'acqua.

Il gruppo di ricerca di Tabor ha integrato gli sforzi sperimentali con simulazioni e analisi al computer. Le simulazioni hanno fornito informazioni dettagliate sul quadro molecolare microscopico della struttura e della dinamica.

“La teoria e l’esperimento spesso lavorano a stretto contatto per comprendere questi materiali. "Una delle nuove cose che facciamo a livello computazionale in questo articolo è caricare effettivamente l'elettrodo in più stati di carica e vedere come l'ambiente circostante risponde a tale carica", ha detto Tabor.

I ricercatori hanno osservato macroscopicamente se il catodo della batteria funzionava meglio in presenza di determinati tipi di sale, misurando esattamente quanta acqua e sale entravano nella batteria durante il funzionamento.

"Lo abbiamo fatto per spiegare ciò che abbiamo osservato sperimentalmente", ha detto. “Ora vorremmo estendere le nostre simulazioni ai sistemi futuri. Avevamo bisogno di confermare la nostra teoria su quali siano le forze che guidano tale iniezione di acqua e solvente”.

“Con questa nuova tecnologia di accumulo dell’energia, siamo un passo avanti verso le batterie prive di litio. "A livello molecolare, abbiamo un'idea migliore del motivo per cui alcuni elettrodi delle batterie funzionano meglio di altri, e questo ci fornisce prove e indicazioni forti su come andare avanti nella progettazione dei materiali", ha affermato Tabor.