Il recente annuncio di Tesla di Powerwall, ha causato il suo nuovo sistema di accumulo residenziale a batteria agli ioni di litio (Li-ion) piuttosto scalpore. Aumenta persino la possibilità di andare off-the-griglia, basandosi sui pannelli solari per generare elettricità, immagazzinandola con la propria batteria e utilizzandola su richiesta.

Tuttavia, la tecnologia agli ioni di litio utilizzata da Tesla non è l'unica in offerta. In effetti, ciascuna delle varie tecnologie di batteria ha i suoi punti di forza e di debolezza e alcune potrebbero persino essere superiori agli ioni di litio per le installazioni domestiche. Ecco una rapida panoramica delle attuali tecnologie di batteria e alcune in fase di sviluppo.

Alimentazione a batteria

Tutte le batterie ricaricabili sono composte da due elettrodi separati da un elettrolito (vedi diagramma sotto). Sui due elettrodi si verificano due diverse reazioni chimiche reversibili. Durante la carica, una "specie attiva" - cioè una molecola carica, come gli ioni di litio per batterie agli ioni di litio - viene immagazzinata nel anodo. Durante la scarica questo migra verso il catodico. La reazione chimica si verifica a potenziale che può essere utilizzato per alimentare un circuito esterno.

Ogni tipo di tecnologia della batteria può essere valutato sulla base di una serie di criteri, quali:

• Riciclabilità, ovvero il numero di volte in cui può essere caricata e scaricata

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• La densità di energia, che è una misura dell'energia immagazzinata per unità di massa, misurata in Watt-ore (una misura che rappresenta un Watt di potenza erogata in un'ora) per chilogrammo (Wh / kg)

• Densità specifica, che è l'energia immagazzinata per unità di volume, misurata in Watt-ore per litro (Wh / l).

La tecnologia più adatta per una particolare applicazione dipende dalle esigenze di quel ruolo.

Al piombo

La batteria ricaricabile originale è costituita da acido solforico concentrato come elettrolita (H?SO?), piombo (Pb) e biossido di piombo (PbO?) sia sull'anodo che sul catodo, che vengono entrambi convertiti in solfato di piombo durante la carica e la scarica.

Le batterie al piombo acido sono ancora utilizzate in automobili, roulotte e in alcune reti di relè elettrici. Hanno una riciclabilità molto elevata, quindi una lunga durata. Ciò è aiutato dall'uso di breve durata e dalla ricarica costante, ovvero mantenendo sempre la batteria a una carica di quasi il 100%, come accade nelle automobili. Al contrario, la carica e la scarica lenta riducono significativamente la durata della batteria al piombo.

Sebbene il piombo sia tossico e l'acido solforico sia corrosivo, la batteria è molto robusta e raramente rappresenta un pericolo per l'utente. Tuttavia, se utilizzato in un'installazione residenziale, la maggiore dimensione e volume dei materiali richiesti aumenterà anche i pericoli.

Tesla Powerwall agli ioni di litio è disponibile nelle versioni 7 chilowattora (kWh) o 10kWh. Per fare un confronto, vedremo quali dimensioni della batteria sarebbero necessarie per alimentare una famiglia di quattro persone che consuma 20kWh al giorno, che è approssimativamente la media nazionale per tali case.

Le batterie al piombo acido hanno una densità di energia compresa tra 30 e 40Wh / kg e 60 per 70Wh / l. Ciò significa che un sistema 20kWh peserà da 450 a 600kg e occuperà da 0.28 a 0.33 metri cubi di spazio (senza includere le dimensioni o il peso dell'involucro della cella e di altre apparecchiature). Questo volume è gestibile per la maggior parte delle famiglie - si adatterebbe approssimativamente in una scatola 1 x 1 x 0.3 metri - ma il peso significherà che deve essere fermo.

Agli ioni di litio

L'attuale prima batteria ricaricabile si basa sul movimento di ioni litio (Li) tra un anodo di carbonio poroso e un catodo di ossido di metallo Li. La composizione del catodo ha un grande effetto sulle prestazioni e sulla stabilità della batteria.

Attualmente litio-cobalto-ossido mostra una capacità di carica superiore. Tuttavia, è più suscettibile alla rottura rispetto alle alternative, come il litio-titante o il litio-ferro-fosfato, sebbene queste abbiano una capacità di carica inferiore.

Una causa comune di guasti è il gonfiore del catodo quando gli ioni di litio sono inseriti all'interno della sua struttura insieme alla placcatura dell'anodo con litio metallico, che può diventare esplosivo. La possibilità di un guasto può essere ridotta limitando la velocità di carica / scarica, ma i casi di batterie per laptop o telefono che esplodono / prendono fuoco sono Non è raro.

La durata della batteria dipende anche fortemente dalla composizione dell'anodo, del catodo e dell'elettrolita. In generale, la durata di vita degli ioni di litio è superiore alle batterie al piombo acido, con Tesla che riporta una durata di vita di 15 anni (Cicli 5,000, a un ciclo al giorno) per il suo Powerwall 10 kWh, basato su un elettrodo litio-manganese-cobalto.

10kWh Tesla Powerwall pesa 100kg e ha dimensioni di 1.3 x 0.86 x 0.18 metri. Quindi per una famiglia media di quattro persone saranno necessarie due unità collegate in serie, arrivando a un peso totale di 200kg e 1.3 x 1.72 x 0.18 metri o 0.4 metri cubi, che è più leggero di piombo-acido, ma occupa più spazio.

Questi valori equivalgono a 100Wh / kg e 50Wh / l, che sono inferiori a quelli riportati per le batterie agli ossidi di cobalto Li (150-250Wh / kg e 250-360Wh / l), ma nell'intervallo associato a Li più sicuro e di maggiore durata -titanato (90Wh / kg) e Li-ferro fosfato (da 80 a 120Wh / kg).

Miglioramenti futuri alle batterie al litio

Le future tecnologie delle batterie potrebbero migliorare ulteriormente questi numeri. I laboratori di ricerca di tutto il mondo stanno lavorando per migliorare l'energia, la durata e la sicurezza specifiche delle batterie al litio.

Le principali aree di ricerca includono la modifica della composizione del catodo, come il lavoro con litio-ferro-fosfato or litio-manganese-cobalto, in cui rapporti o strutture chimiche differenti dei materiali possono influenzare drasticamente le prestazioni.

La modifica dell'elettrolita, come l'uso di liquidi organici o ionici, può migliorare l'energia specifica, sebbene possa essere proibitiva in termini di costi e richiedere una fabbricazione più controllata, come in un ambiente privo di polvere o controllato dall'umidità / limitato.

L'uso di nanomateriali, sotto forma di analoghi di carbonio nanosized (grafene ed nanotubi di carbonio) o puoi nanoparticelle, potrebbe migliorare sia il catodo che l'anodo. Nell'anodo, grafene o nanotubi di carbonio altamente conduttivi e forti possono sostituire il materiale corrente, che è la grafite o una miscela di carbone poroso attivato e grafite.

I nanotubi di grafene e carbonio presentano una maggiore superficie, una maggiore conduttività e una maggiore stabilità meccanica rispetto al carbone attivo e alla grafite. L'esatta composizione della maggior parte degli anodi e dei catodi è attualmente un segreto commerciale, ma i livelli di produzione commerciale dei nanotubi di carbonio suggeriscono che la maggior parte delle batterie di telefoni e laptop attualmente hanno nanotubi di carbonio come parte dei loro elettrodi.

Le batterie di laboratorio hanno dimostrato un'incredibile capacità di conservazione, in particolare per l'energia specifica (Wh / kg). Ma spesso i materiali sono costosi o il processo è difficile da scalare a livelli industriali. Con un'ulteriore riduzione dei costi dei materiali e un'ulteriore semplificazione della sintesi, non vi è dubbio che l'applicazione dei nanomateriali continuerà a migliorare la capacità, la durata e la sicurezza delle batterie a base di litio.

Litio-aria e Litio-zolfo

Litio-zolfo e litio-aria le batterie sono design alternativi con un simile principio di base del movimento agli ioni di litio tra due elettrodi, con capacità teoriche molto più elevate.

In entrambi i casi, l'anodo è un sottile frammento di litio mentre il catodo è Li?O? a contatto con l'aria nelle batterie Li-air e zolfo attivo nelle batterie Li-S. Capacità massime previste sono 320Wh / kg per Li-ion, 500Wh / kg per Li-S e 1,000Wh / kg per Li-air.

Le energie specifiche sono correlate al peso più leggero del litio sull'anodo e sul catodo (che sostituisce grafite / carbonio e ossidi di metalli di transizione) e l'alto redox potenziale tra gli elettrodi.

Con l'anodo in queste batterie al litio metallico, la grande quantità di litio richiesta per un pacco batterie 20kWh su scala residenziale (18kg per Li-air e 36kg per Li-S) può limitare il loro uso a dispositivi più piccoli nel medio-corto termine.

Ioni di sodio e ioni di magnesio

Il litio ha un numero atomico di 3 e si trova nella riga 1 di tavola periodica. Direttamente sotto è Sodio (Na, numero atomico 11).

Le batterie agli ioni di na sono considerate come alternative praticabili agli ioni di litio, principalmente a causa della relativa abbondanza di sodio. Il catodo è costituito da ossido di Na-metallo, come sodio-ferro-fosfato, mentre l'anodo è carbonio poroso. A causa delle dimensioni degli ioni Na, la grafite non può essere utilizzata nell'anodo e i nanomateriali al carbonio vengono studiati come materiali anodici. Inoltre, la massa di sodio è maggiore di Li, quindi la capacità di carica per unità di massa e volume è generalmente inferiore.

Il magnesio si trova a destra del sodio nella tavola periodica (Mg, numero atomico 12) nella riga 2, il che significa che può esistere in soluzione come Mg²? (rispetto a Li¹? e Na¹?). Con una carica doppia del Na, il Mg è in grado di produrre il doppio dell'energia elettrica per un volume simile.

La batteria a ioni Mg è composta da un anodo a nastro Mg e un catodo a ossido di metallo Mg e ha un massimo previsto energia specifica di 400Wh/kg. L’attuale collo di bottiglia della ricerca è che la doppia carica sul Mg²? rende più lento il movimento attraverso l'elettrolita, rallentando così la velocità di carica.

Batterie di flusso

Una batteria a flusso è costituita da due serbatoi di stoccaggio riempiti con elettrolita separati da un membrana di scambio protonico, che consente il flusso di elettroni e ioni idrogeno, ma limita la miscelazione dell'elettrolita nei serbatoi di stoccaggio. Esempi di questi includono vanadio-vanadio con solfato o bromuro, zinco-bromo e bromo-idrogeno.

Le batterie a flusso di vanadio hanno una durata molto lunga con il sistema molto stabile. Possono essere ingranditi quasi indefinitamente, ma richiedono una pompa per far scorrere l'elettrolita attorno al serbatoio di accumulo. Questo li rende immobili.

Le batterie a flusso di vanadio hanno energie specifiche nella gamma di 10-20Wh / kg e densità di energia di 15-25Wh / l. Ciò significa che per alimentare una famiglia 20kWh, avresti bisogno di una batteria con massa di 900-1800Kg, che occuperà 0.8-1.33m³.

Con un'elevata affidabilità ma un'elevata massa, la batteria a celle a flusso di vanadio è più adatta per grandi applicazioni come piccole centrali elettriche che per uso residenziale.

A breve termine è probabile che le batterie agli ioni di litio continueranno a essere migliorate e potrebbero persino raggiungere 320Wh / kg. Le tecnologie future avranno la capacità di fornire energia specifica e / o densità energetica ancora più elevate, ma si prevede che entreranno sul mercato prima con dispositivi più piccoli prima di passare allo stoccaggio di energia residenziale.

Circa l'autore

Cameron Shearer è Research Associate in Physical Sciences presso la Flinders University. Attualmente ricerca l'applicazione di nanomateriali in celle e batterie solari.

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.