La tua prossima batteria potrebbe essere stampata su carta

Il caos nella catena di approvvigionamento sembra essere ovunque, estendendosi dai semiconduttori a una gamma di materie prime. Con le fluttuazioni dei prezzi delle materie prime e delle risorse naturali dovute agli eventi geopolitici, e con la crescente domanda di veicoli elettrici, il mondo potrebbe assistere a una carenza di litio entro il 2025 (secondo una valutazione dell'Agenzia Internazionale dell'Energia). Di fronte alla crescente domanda di litio, i ricercatori nel mondo accademico e industriale hanno esplorato materiali alternativi per le batterie per superare queste sfide.

Uno degli sviluppi più interessanti è stato realizzato dai ricercatori dei Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali (Empa). I risultati della ricerca sono stati pubblicati in un numero recente di Nature. Hanno annunciato un innovativo materiale per batterie attivabile con l'acqua e stampabile su un foglio di carta. In teoria, questo materiale elettrochimicamente attivo potrebbe essere stampato su qualsiasi materiale di supporto, come un isolante flessibile come la plastica.

Sebbene nessuno stia suggerendo l'uso di batterie di carta per i veicoli elettrici, il materiale può produrre fino a 1,2 V in una singola cella (comparabile alle chimiche delle batterie Ni-MH). Pertanto, pile di questo tipo di materiale potrebbero essere utilizzate come piccole batterie usa e getta per elettronica portatile o altri piccoli dispositivi. Questo non è la soluzione magica per la carenza di litio, ma questi materiali alternativi potrebbero consentire il reindirizzamento del litio in aree molto più critiche come i veicoli elettrici (EV).

Un Materiale per Batterie a Base di Inchiostro

Il materiale sviluppato dai ricercatori dell'Empa è in realtà un materiale stratificato a base di carbonio che coinvolge grafite, nero di carbonio, zinco come anodo e sale. La chimica a base di carbonio e sale può essere attivata con l'applicazione di acqua, come descritto di seguito. La struttura stratificata di questo materiale per batterie è mostrata nella grafica qui sotto.

I strati superiore e inferiore di grafite + nero di carbonio agiscono come strati attivi che partecipano alla reazione elettrochimica della batteria. Quando rivestiti con sale ed esposti all'acqua, la reazione elettrochimica risultante può far scorrere corrente attraverso un circuito connesso.

Questa particolare scoperta non è un sistema praticabile, è solo una dimostrazione di una nuova chimica che produce abbastanza energia per alimentare piccoli elettronici. L'uscita di potenza, essendo compatibile con le batterie Ni-MH e alcaline, mostra che il materiale è valido da un punto di vista elettrochimico. L'aspetto commerciale è un'altra questione, come delineo di seguito.

Quindi, è questo un sostituto per le chimiche standard delle batterie a cui siamo tutti abituati? Probabilmente no, ma i materiali a base di carbonio vengono utilizzati nelle chimiche a base di Li come materiale anodico, fornendo diversi vantaggi per i sistemi elettrificati.

Materiali Alternativi Attraenti, Ma con Lunga Strada da Percorrere

Anche se la ricerca di materiali alternativi per batterie intesi a sostituire completamente le chimiche esistenti (incluso il litio) è un argomento di ricerca in corso, questa strada ha un lungo percorso e il cammino verso la commercializzazione è pieno di rischi. Pertanto, l'industria dei materiali per batterie si è concentrata sul miglioramento del design delle batterie, inclusa l'uso di materiali simili che migliorano il funzionamento delle batterie senza cambiare la chimica delle batterie.

Perché dovremmo preoccuparci dei cambiamenti nella chimica delle batterie? Dalla prospettiva della sostenibilità e dell'assicurazione che la domanda di elettrificazione possa essere soddisfatta, trovare una chimica alternativa che possa essere paragonabile al litio è un'opzione attraente. Il problema deriva dalla commercializzazione: le chimiche basate su Li e altre chimiche basate su metalli sono ben comprese e sono già state qualificate da un punto di vista della sicurezza. Questo rende l'opzione di costruire sulla base delle chimiche fondamentali a base di Li un'opzione attraente da un punto di vista del rischio e della responsabilità. Se viene sviluppata una nuova chimica e c'è un percorso verso la commercializzazione, la nuova chimica dovrà dimostrare un certo livello di conformità normativa così come la prova di affidabilità ai clienti.

Per queste ragioni, il recente focus tra gli sviluppatori di materiali per l'industria delle batterie è stato sull'uso di materiali a base di carbonio per miglioramenti incrementali all'interno dei design esistenti delle batterie. I progettisti di batterie possono sfruttare la conoscenza esistente nella produzione, nel test e nel controllo di qualità delle batterie in questi nuovi design di batterie pur ricevendo i benefici della chimica a base di carbonio.

Alcuni dei principali benefici dei materiali a base di carbonio utilizzati nelle chimiche delle batterie esistenti includono:

Uno dei principali materiali a base di carbonio in fase di sviluppo per migliorare le batterie agli ioni di litio è il grafite funzionalizzato, che può essere facilmente prodotto e utilizzato per costruire anodi per sistemi di batterie agli ioni di litio. Un altro materiale a base di carbonio sono i nanotubi di carbonio, che traggono vantaggio dal loro alto trasporto di carica balistico lungo la direzione assiale. Quando incorporati nei sistemi di batterie, questi materiali offrono maggiori tassi di carica/scarica e capacità in una chimica delle batterie già affidabile.

Man mano che più di questi sistemi di batterie arrivano sul mercato e i progettisti possono incorporarli nei loro sistemi, assicurati di utilizzare le funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio in Octopart per trovare tutti i componenti avanzati di cui hai bisogno per sistemi elettrificati. Quando utilizzi il motore di ricerca elettronica di Octopart, avrai accesso ai dati aggiornati sui prezzi dei distributori, all'inventario delle parti e alle specifiche delle parti, ed è tutto liberamente accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per trovare i componenti di cui hai bisogno.

Rimani aggiornato con i nostri ultimi articoli iscrivendoti alla nostra newsletter.