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Batterie al Fluoruro

Batterie al Fluoruro

Un nuovo concetto basato sul fluoruro può aumentare la durata della batteria.

Immagina di non dover caricare il tuo telefono o laptop per settimane. Questo è il sogno dei ricercatori che cercano batterie alternative che vadano oltre le attuali versioni agli ioni di litio oggi popolari. Ora, in un nuovo studio pubblicato sulla rivista Science , i chimici di diverse istituzioni, tra cui Caltech e il Jet Propulsion Laboratory, gestito da Caltech per la NASA, nonché dall’Honda Research Institute e dal Lawrence Berkeley National Laboratory, hanno colpito nuovo modo di fabbricare batterie ricaricabili a base di fluoro, la forma carica negativamente, o anione, del fluoro elemento.

“Le batterie al fluoruro possono avere una maggiore densità di energia, il che significa che possono durare più a lungo – fino a otto volte più a lungo delle batterie in uso oggi”, dice il coautore dello studio Robert Grubbs , Victor e Elizabeth Atkins Professor of Chemistry di Caltech e vincitore di il Premio Nobel 2005 in Chimica. “Ma il fluoruro può essere difficile da lavorare, in particolare perché è così corrosivo e reattivo.”

Negli anni ’70, i ricercatori hanno tentato di creare batterie al fluoruro ricaricabili utilizzando componenti solidi, ma le batterie allo stato solido funzionano solo a temperature elevate, rendendole poco pratiche per l’uso quotidiano. Nel nuovo studio, gli autori riportano finalmente come far funzionare le batterie al fluoruro usando componenti liquidi – e le batterie a liquido funzionano facilmente a temperatura ambiente.

“Siamo ancora nelle prime fasi di sviluppo, ma questa è la prima batteria al fluoruro ricaricabile che funziona a temperatura ambiente”, afferma Simon Jones, un chimico del JPL e autore corrispondente del nuovo studio.

Le batterie alimentano le correnti elettriche spostando gli atomi o gli ioni caricati tra un elettrodo positivo e uno negativo. Questo processo di spola procede più facilmente a temperatura ambiente quando sono coinvolti liquidi. Nel caso delle batterie agli ioni di litio, il litio viene trasportato tra gli elettrodi con l’aiuto di una soluzione liquida o elettrolito.

“Ricaricare una batteria è come spingere una palla su per una collina e poi lasciarla rotolare di nuovo, più e più volte”, dice il co-autore Thomas Miller , professore di chimica al Caltech. “Vai avanti e indietro tra immagazzinare l’energia e usarla.”

Mentre gli ioni di litio sono positivi (chiamati cationi), gli ioni fluoruro utilizzati nel nuovo studio recano una carica negativa (e sono chiamati anioni). Ci sono sia sfide che vantaggi nel lavorare con gli anioni nelle batterie.

“Per una batteria che dura più a lungo, è necessario spostare un numero maggiore di cariche, spostare cationi metallici carichi multipli è difficile, ma un risultato simile può essere ottenuto spostando diversi anioni caricati singolarmente, che viaggiano con facilità comparativa”, afferma Jones, chi fa ricerche al JPL sulle fonti di energia necessarie per i veicoli spaziali. “Le sfide con questo schema stanno facendo funzionare il sistema a tensioni utilizzabili.In questo nuovo studio, dimostriamo che gli anioni sono davvero degni di attenzione nella scienza della batteria poiché dimostriamo che il fluoruro può funzionare a tensioni sufficientemente elevate.”

La chiave per far funzionare le batterie al fluoro in un liquido anziché in uno stato solido si è rivelata essere un liquido elettrolitico chiamato bis (2,2,2-trifluoroetil) etere o BTFE. Questo solvente è ciò che aiuta a mantenere stabile lo ione fluoruro in modo che possa spostare gli elettroni avanti e indietro nella batteria. Jones dice che al suo interno, all’epoca, Victoria Davis, che ora studia alla University of North Carolina, a Chapel Hill, è stata la prima a pensare di provare BTFE. Sebbene Jones non avesse molta speranza di riuscire, il team ha deciso di provarlo comunque e si è sorpreso che funzionasse così bene.

A quel punto, Jones si rivolse a Miller per un aiuto nel capire perché la soluzione funzionasse. Miller e il suo gruppo hanno condotto simulazioni al computer della reazione e hanno scoperto quali aspetti del BTFE stavano stabilizzando il fluoruro. Da lì, il team è stato in grado di modificare la soluzione BTFE, modificandola con additivi per migliorarne le prestazioni e la stabilità.

“Stiamo sbloccando un nuovo modo di produrre batterie più durature”, afferma Jones. “Il ritorno del fluoruro nelle batterie”.

Lo studio scientifico , intitolato “Ciclatura a temperatura ambiente di elettrodi di fluoruro di metallo: elettroliti liquidi per celle fluoruriche ad alta energia”, è stato finanziato dal Resnick Sustainability Institute e dal Molecular Materials Research Center, sia presso Caltech, National Science Foundation, sia Dipartimento dell’energia e l’istituto di ricerca Honda. Altri autori al Caltech durante lo studio includono Christopher Bates, Brett Savoie, Nebojša Momčilović, William Wolf, Michael Webb, Isabelle Darolles e Nanditha Nair.

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