Gli scienziati sviluppano l'alluminio

Jul 08, 2023

Di Università di Friburgo17 agosto 2023

I ricercatori hanno sviluppato un materiale per elettrodi positivi per batterie agli ioni di alluminio utilizzando un polimero redox organico, che ha mostrato una capacità maggiore rispetto alla grafite. Il materiale dell’elettrodo è stato sottoposto con successo a 5.000 cicli di carica, mantenendo l’88% della sua capacità a 10°C, segnando un progresso significativo nello sviluppo delle batterie in alluminio.

Le batterie agli ioni di alluminio stanno emergendo come potenziale successore delle batterie tradizionali che si basano su materiali difficili da reperire e da riciclare come il litio. Questo cambiamento è attribuito all’abbondanza di alluminio nella crosta terrestre, alla sua riciclabilità e alla sua sicurezza comparativa ed efficacia in termini di costi rispetto al litio.

Tuttavia, il progresso delle batterie agli ioni di alluminio rimane nelle fasi iniziali, poiché i ricercatori sono ancora alla ricerca di materiali per elettrodi appropriati in grado di fornire un’adeguata capacità di stoccaggio. Una svolta in questo campo è stata recentemente fatta da un gruppo di ricerca, guidato dalla Prof. Dr. Birgit Esser dell’Università di Ulm e dal Prof. Dr. Ingo Krossing e dalla Prof. Dr. Anna Fischer dell’Università di Friburgo, e guidato da Gauthier Studer. Il team ha sviluppato un materiale per elettrodi positivi composto da un polimero redox organico a base di fenotiazina.

Nell'esperimento, le batterie di alluminio con questo materiale dell'elettrodo hanno immagazzinato una capacità mai raggiunta prima di 167 milliampere ora per grammo (mAh/g). Il polimero redox organico supera quindi la capacità della grafite, che finora è stata utilizzata principalmente come materiale per elettrodi nelle batterie. I risultati sono apparsi sulla rivista Energy & Environmental Science.

Durante la carica della batteria il materiale dell'elettrodo si ossida e assorbe anioni complessi di alluminato. In questo modo, il polimero redox organico poli(3-vinil-N-metilfenotiazina) riesce a inserire due anioni [AlCl4]− in modo reversibile durante la carica. I ricercatori hanno utilizzato il cloruro di etilmetilimidazolio liquido ionico come elettrolita con aggiunta di cloruro di alluminio.

Il diagramma schematico della batteria mostra il processo redox in cui il materiale dell'elettrodo viene ossidato e si depositano anioni alluminato. Credito: Birgit Esser / Università di Friburgo

“Lo studio delle batterie in alluminio è un campo di ricerca entusiasmante con un grande potenziale per i futuri sistemi di accumulo dell’energia”, afferma Gauthier Studer. “Il nostro focus è sullo sviluppo di nuovi materiali organici redox-attivi che presentano proprietà reversibili e ad alte prestazioni. Studiando le proprietà redox della poli(3-vinil-N-metilfenotiazina) nel liquido ionico a base di cloroalluminato, abbiamo fatto un passo avanti significativo dimostrando per la prima volta un processo redox reversibile a due elettroni per un materiale elettrodico a base di fenotiazina. "

La poli(3-vinil-N-metilfenotiazina) deposita gli anioni [AlCl4]− a potenziali di 0,81 e 1,65 volt e fornisce capacità specifiche fino a 167 mAh/g. Al contrario, la capacità di scarica della grafite come materiale degli elettrodi nelle batterie in alluminio è di 120 mAh/g. Dopo 5.000 cicli di carica, la batteria presentata dal team di ricerca ha ancora l'88% della sua capacità a 10 C, cioè con una velocità di carica e scarica di 6 minuti. Con un valore C inferiore, ovvero con tempi di carica e scarica più lunghi, la batteria ritorna invariata alle sue capacità originali.

“Con la sua elevata tensione di scarica e capacità specifica, nonché la sua eccellente ritenzione di capacità a velocità elevate di C, il materiale dell’elettrodo rappresenta un importante progresso nello sviluppo di batterie ricaricabili in alluminio e quindi di soluzioni avanzate ed economiche di stoccaggio dell’energia”, afferma Birgit Esser. .

Riferimento: "Su una batteria di alluminio ad alta capacità con un polimero redox di fenotiazina a due elettroni come elettrodo positivo" di Gauthier Studer, Alexei Schmidt, Jan Büttner, Maximilian Schmidt, Anna Fischer, Ingo Krossing e Birgit Esser, 22 maggio 2023, Energia e scienze ambientali.DOI: 10.1039/D3EE00235G

Il progetto è stato finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) (progetto AMPERE nell'ambito di SPP 2248 – Polymer-based Batteries, POLiS – EXC 2154, livMatS – EXC 2193) nonché dalla Deutsche Bundesstiftung Umwelt, dal bwForCluster JUSTUS 2, dall'Eva Mayr-Stihl-Stiftung (Saltus!) e il Land Baden-Württemberg (bwHCP).