Le batterie che sono composte principalmente da alluminio e ossigeno normalmente hanno una durata della vita molto breve. Ma un nuovo progetto potrebbe aiutare questi dispositivi ad alti voltaggi a resistere più a lungo.
Le batterie in alluminio e aria sono promettenti candidati per una nuova generazione di batterie non ricaricabili, perché sono super leggere e compatte. Tuttavia, non sono ampiamente utilizzate perché i loro componenti interni si degradano rapidamente. Nella nuova configurazione in alluminio-aria, descritta nel rapporto su Science il 9 novembre, l’aggiunta di olio agirebbe da tampone tra i componenti corrosivi della batteria consentendo di estendere notevolmente la durata di conservazione del dispositivo. Queste batterie monouso migliorate potrebbero fornire alimentazione di riserva alle auto elettriche o fornire energia in regioni remote.
“Questo è un design molto intelligente“, dice Yiying Wu, un chimico della Ohio State University non coinvolto nel lavoro. Lo schema del tampone di petrolio potrebbe anche migliorare altri tipi di batterie metallo-aria che soffrono di autocorrosione.
Ogni cella della batteria di alluminio contiene due elettrodi, un anodo di alluminio e un catodo, separati da un liquido chiamato elettrolita. Le molecole di ossigeno aspirate dall’aria entrano nel catodo, dove reagiscono con elettroni e particelle di alluminio che fluiscono attraverso l’elettrolito dall’anodo, rilasciando energia al dispositivo. Sfortunatamente, quando la batteria è in standby, l’elettrolita acquoso consuma l’anodo di alluminio.
“È essenzialmente un problema di corrosione“, afferma il co-autore dello studio Brandon Hopkins, un ingegnere meccanico dello U.S. Naval Research Laboratory di Washington, D.C., che ha svolto il lavoro al MIT. “Che sia l’alluminio o qualsiasi altro metallo, in acqua inizierà ad arrugginirsi e corrodersi“. Di conseguenza, le batterie di alluminio-aria possono perdere circa l’80% della loro carica immagazzinata stando ferme sugli scaffali per mesi.
Come funziona questa nuova tecnologia
Hopkins e colleghi hanno costruito un dispositivo in alluminio più resistente inserendo una membrana polimerica tra gli elettrodi della cella. Quando la batteria alimenta un dispositivo, l’elettrolito viene pompato nelle aree su entrambi i lati della membrana da un serbatoio. Quando la cella non è in uso, l‘elettrolito viene scaricato dal lato della membrana accanto all’anodo di alluminio e l’olio fluisce per sostituirlo. Questo olio protegge l’alluminio dall’elettrolita sull’altro lato della membrana. Non appena la batteria viene riattivata, l’olio viene pompato all’esterno e immagazzinato, così l’elettrolita torna dentro.
In esperimenti di laboratorio, il team di Hopkins ha utilizzato la nuova cella della batteria, oltre a una cella di alluminio-aria senza un tampone di olio, per intervalli di 24 o 72 ore nell’intervallo tra un test e l’altro. L’elettrolito all’interno della batteria convenzionale ha attraversato l’anodo di alluminio in appena un paio di giorni, dopodichè ha dato segni di cedimento. Ma l’elettrolita all’interno della batteria equipaggiata con olio corrodeva l’anodo di alluminio molto più lentamente e la batteria ha funzionato per alcune settimane prima che l’energia della cella fosse completamente esaurita.
L’energia prodotta dal prototipo di una singola cellula potrebbe essere aumentata facendo una versione più grande o impilando più celle all’interno di un set di batterie. “I ricercatori devono ancora studiare le prestazioni, i costi e l’affidabilità di un pacco batterie su vasta scala”, afferma Wu.
Oltre a servire come fonte di energia di emergenza per i veicoli elettrici, tali celle leggere potrebbero alimentare i droni a lungo raggio, dice Hopkins. Le batterie di alluminio-aria potrebbero anche fornire energia fuori copertura a personale militare e civili in aree remote.