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Unraveling the chemistry of the lithium-air battery by novel solid state NMR techniques

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Verso veicoli elettrici che funzionano ad aria

Le batterie litio-aria possiedono un’energia molto elevata per unità di peso, paragonabile a quella della benzina. Sfruttando la spettroscopia avanzata, gli scienziati hanno identificato reazioni e specie nella batteria che ne riducono l’efficienza, aprendo così la strada alla sua ottimizzazione.

Energia icon Energia

Il materiale attivo del catodo, l’ossigeno, è esterno alla batteria per ridurne notevolmente il peso. Il risultato è un’alta energia specifica e un promettente candidato per soddisfare le esigenze dei veicoli elettrici per compiere distanze maggiori. Tuttavia, la tecnologia richiede uno sviluppo significativo per raggiungere la fase della commercializzazione. Tra i problemi principali ci sono inefficienti cicli di carica e scarico e buchi di tensione tra queste due fasi. Gli scienziati hanno avviato il progetto LANMR (“Unraveling the chemistry of the lithium-air battery by novel solid state NMR techniques”), finanziato dall’UE, per studiare le reazioni elettrochimiche e i materiali per l’ottimizzazione. I ricercatori si sono concentrati su elettrolita e materiali del catodo. L’ossidazione del litio presso l’anodo e la riduzione dell’ossigeno dall’aria ambientale presso il catodo generano il flusso di corrente. Tuttavia, la reazione reversibile tra litio e ossigeno per formare perossido di litio genera specie di perossidi intermedie altamente reattive, e il perossido di litio stesso è altamente ossidante. Tutte queste specie reattive iniziano reazioni secondarie che fanno diminuire l’efficienza, e di conseguenza la densità energetica pratica non raggiunge i valori teorici previsti. Gli scienziati di LANMR hanno sviluppato una metodologia basata sulla risonanza magnetica nucleare allo stato solido (ssNMR) con una eccellente specificità chimica. Usandola, essi hanno dimostrato che l’efficienza del ciclo e la vita del ciclo del sistema della batteria litio-aria dipendono in modo significativo dalla stabilità di elettrolita ed elettrodo. Persino con elettroliti relativamente stabili, la formazione di piccole quantità di prodotti secondari aumenta un parametro collegato in modo complesso all’efficienza della cella (sovratensione di carica). Questo aumenta ulteriormente le reazioni secondarie e l’accumulo dei loro prodotti diminuisce la stabilità dell’elettrodo di carbonio. Gli studi suggeriscono che l’aggiunta di specie catalitiche per evitare l’accumulo di carica dovrebbe essere effettuata prestando attenzione a non aumentare le reazioni indesiderate. Al contrario di altri strumenti, la metodologia del progetto basata sulla ssNMR ha consentito ai ricercatori di ottenere un’immagine chiara dei fattori che influiscono sull’efficienza. Il team ha dimostrato che la ssNMR è uno strumento analitico potente e flessibile per lo studio delle reazioni elettrochimiche nelle celle della batteria. Ci si aspetta che questo approccio sia determinante nello sviluppo della promettente batteria litio-aria per arrivare alla sua commercializzazione. Con essa giungerà una grande diffusione dei veicoli elettrici per un trasporto su strada rispettoso dell’ambiente e con un impatto minimo sul clima globale.

Parole chiave

Veicoli elettrici, litio-aria, batterie, densità energetica, stato solido, perossido litio, specie superossido

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