Nuovi successi della ricerca sulla strada della super batteria

Dal 2012, Stefan Freunberger dell’Istituto per le tecnologie dei materiali chimici dell’Università di Tecnologia di Graz sta lavorando allo sviluppo di una nuova generazione di batterie più potenti, più durature e più economiche da produrre rispetto ai modelli attuali. Freunberger vede un grande potenziale nelle batterie litio-ossigeno. Nel corso della sua ricerca, lo scienziato ha scoperto paralleli tra l’invecchiamento delle cellule negli organismi viventi e nelle batterie nel 2017. In entrambi i casi, l’ossigeno singoletto altamente reattivo è responsabile del processo di invecchiamento. Questo avviene durante il processo di scarica e carica delle batterie litio-ossigeno ed è stato un elemento centrale della ricerca di Freunberger negli ultimi anni. Nelle riviste Nature Communications e Applied Chemistry, il ricercatore di Graz mostra per la prima volta come minimizzare gli effetti negativi dell’ossigeno singoletto.

Mediatori redox stabili come chiave per l’efficienza energetica

In Nature Communications In collaborazione con ricercatori coreani e statunitensi, Freunberger descrive l’influenza dell’ossigeno singoletto sui cosiddetti mediatori redox, che possono essere ridotti e ossidati reversibilmente. Questi mediatori sono essenziali per il flusso di elettroni tra il circuito esterno e il materiale di stoccaggio della carica nelle batterie all’ossigeno e determinano significativamente le loro prestazioni. Il principio dei mediatori è anche copiato dalla natura, dove svolgono varie funzioni nelle cellule viventi, come la conduzione degli stimoli e la produzione di energia. “Finora si è supposto che i mediatori redox siano disattivati da superossidi e perossidi. Tuttavia, la nostra ricerca mostra che l’ossigeno singoletto è responsabile di questo”, ha detto Freunberger.

Utilizzando i cosiddetti calcoli di teoria funzionale della densità, gli scienziati sono stati in grado di spiegare perché alcune classi di mediatori sono più resistenti all’ossigeno singoletto di altre. Hanno anche identificato le vie più probabili di attacco dell’ossigeno singoletto. Questa conoscenza aiuta nello sviluppo di nuovi mediatori redox stabili. “Più stabili sono i mediatori, più efficienti, reversibili e durevoli saranno le batterie”, spiega Freunberger.

DABCOnium protegge efficacemente dall’ossigeno singoletto

Oltre a disattivare i mediatori redox, l’ossigeno singoletto è anche responsabile di reazioni chimiche parassite che riducono la durata delle batterie e le prestazioni di carica. Freunberger stava quindi cercando un estintore ideale che convertisse l’ossigeno singoletto in ossigeno tripletto innocuo, proprio come avviene nell’aria, e si è ispirato alla biologia: “Nelle cellule viventi, un enzima chiamato superossido dismutasi impedisce la formazione di ossigeno singoletto. Ho usato il DABCOnium, un sale del composto azotato organico DABCO, nei miei esperimenti”. Si tratta di un additivo elettrolitico che è molto più stabile all’ossidazione rispetto agli estintori precedentemente conosciuti ed è compatibile con il litio metallico nell’elettrodo negativo. Per la prima volta, Freunberger è stato in grado di progettare la carica delle celle a litio-ossigeno in modo che sia in gran parte priva di reazioni collaterali, senza reazioni parassite.

Tuttavia, l’ossigeno Singluett non è solo problematico nelle batterie a ossigeno, ma anche negli ultimi sviluppi delle batterie agli ioni di litio, come Freunberger ha potuto dimostrare l’anno scorso. Pertanto, gli estintori sono rilevanti anche per loro. Freunberger ha pubblicato i dettagli di questo estintore di ossigeno singoletto nella rivista Applied Chemistry pubblicata.

La combinazione di mediatore ed estintore forma una condizione ideale

Nel prossimo passo, Freunberger vuole ora combinare i risultati e sviluppare una nuova classe di mediatori. Da un lato, deve essere particolarmente resistente all’attacco dell’ossigeno singoletto, ma deve anche essere in grado di estinguerlo da solo, cioè di combatterlo efficacemente. Questo estenderebbe drasticamente la durata di vita delle batterie litio-ossigeno e massimizzerebbe l’efficienza energetica.

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