Batterie a ioni di alluminio ultraveloci e con una vita da 250.000 cicli

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La ricerca del Dipartimento di Scienze e Ingegneria dei Polimeri dell’Università di Zhejiang in Cina pubblicato su Science Advances. Fondamentale il ruolo del grafene

batteria ioni alluminioI centri di ricerca mondiali sono impegnati nel trovare una soluzione efficiente ed economia all’immagazzinamento dell’energia, specie per gli utilizzi in mobilità nei veicoli del prossimo futuro, cercando un’alternativa all’odierna tecnologia degli ioni di litio, che evidenzia limiti di velocità di carica e di capacità di immagazzinamento.

Un gruppo di ricerca guidato da Gao Chao, professore nel Dipartimento di scienze e ingegneria dei polimeri dell’Università di Zhejiang in Cina, ha preso in considerazione le batterie a ioni di alluminio che offrono basso costo, sicurezza e un’alta densità di potenza (1060 Wh/kg contro il limite di 406 Wh/kg di quelle a ioni di litio). Questa tipologia di batterie offre vantaggi significativi anche se c’è da risolvere qualche problema tecnologico legato alla loro durata nel tempo.

Questo tipo di batterie funziona in modo identico a quella a ioni di litio: gli ioni di alluminio forniscono energia fluendo dall’elettrodo negativo della batteria, il catodo, all’elettrodo positivo, l’anodo. Durante la ricarica, gli ioni di alluminio ritornano sull’anodo.

Ciò che favorisce le batterie a ioni di alluminio (lo ione trivalente Al+++), costituisce anche il principale svantaggio tecnologico in termine di vita utile a causa del decadimento. 

Il gruppo di ricerca cinese ha proposto un nuovo design per il catodo della batteria, l’elettrodo le cui prestazioni sono alla base delle attuali problematiche. L’approccio scelto prevede di utilizzare nell’architettura catodica film di grafene (strato monoatomico di atomi di carbonio) assemblati in maniera da realizzare una struttura tridimensionale. L’assemblaggio ordinato degli strati di grafene porta a una struttura altamente orientata, contenente al suo interno una rete di canali di conduzione ionica.

Il procedimento, spiegano i ricercatori nell’articolo pubblicato su Science Advances, è in grado di soddisfare i requisiti richiesti alle batterie a ioni di alluminio, dando a questi dispositivi alte prestazioni e velocità record. Il nuovo design catodico – battezzato con il nome di “trihigh tricontinuous – 3H3C” – ha permesso agli scienziati di allungarne considerevolmente la vita, mantenendo sopra il 91% delle capacità originali dopo ben 250.000 cicli di carica/scarica. Fino a ieri il valore più alto mai raggiunto erano stati i 7.500 cicli della batteria all’alluminio-grafite della Stanford University.

La nuova pila dell’Università di Zhejiang mostra anche una capacità senza precedenti ad alta velocità di carica e un’ampia gamma di temperature di funzionamento: da meno 40° a 120° C. La ricerca affronterà ulteriori prove di durata e efficientamento, con la concreta possibilità di arrivare rapidamente ad una fase industriale.