I ricercatori del MIT hanno trovato il modo di migliorare la densità di energia delle batterie non ricaricabili per aumentarne la durata o ridurne le dimensioni. Le applicazioni spaziano dai pacemaker ai droni a lunga distanza, passando per i sensori remoti.
Negli ultimi decenni, la ricerca sulle batterie si è in gran parte concentrata sulle batterie ricaricabili agli ioni di litio, che vengono utilizzate in tutto, dalle auto elettriche all’elettronica portatile e sono notevolmente migliorate in termini di accessibilità e capacità. Ma le batterie non ricaricabili hanno visto pochi miglioramenti, nonostante il loro ruolo cruciale in molti usi importanti come i dispositivi medici impiantabili come i pacemaker.
Migliorare la densità di energia delle batterie non ricaricabili
Ora, i ricercatori del MIT hanno escogitato un modo per migliorare la densità di energia di queste batterie non ricaricabili o “primarie”, fino a consentire di aumentare del 50% la loro vita utile o una corrispondente diminuzione delle dimensioni e del peso per una determinata quantità di potenza o capacità energetica..
Le nuove scoperte, che comportano la sostituzione dell’elettrolito della batteria convenzionalmente inattivo con un materiale attivo per l’erogazione di energia, sono state pubblicate in questo articolo della rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, firmato da
La sostituzione della batteria in un pacemaker o in un altro impianto medico richiede una procedura chirurgica, quindi qualsiasi aumento della longevità delle batterie potrebbe avere un impatto significativo sulla qualità della vita del paziente, afferma Gallant. Le batterie primarie vengono utilizzate per tali applicazioni essenziali perché possono fornire circa tre volte più energia per una data dimensione e peso rispetto alle batterie ricaricabili.
Questa differenza di capacità, afferma Gao, rende le batterie primarie “critiche per le applicazioni in cui la ricarica non è possibile o non è pratica”. I nuovi materiali funzionano alla temperatura del corpo umano, quindi sarebbero adatti per impianti medici.
Oltre ai dispositivi impiantabili, con un ulteriore sviluppo per far funzionare le batterie in modo efficiente a temperature più basse, le applicazioni potrebbero includere anche sensori nei dispositivi di localizzazione per le spedizioni, ad esempio per garantire che i requisiti di temperatura e umidità per le spedizioni di cibo o farmaci siano adeguatamente mantenuti durante tutta la spedizione processi. Oppure, potrebbero essere utilizzati in veicoli aerei o subacquei comandati a distanza che devono rimanere pronti per lo spiegamento per lunghi periodi.
Le batterie del pacemaker durano in genere dai cinque ai 10 anni, e anche meno se richiedono funzioni ad alta tensione come la defibrillazione. Eppure per tali batterie, dice Gao, la tecnologia è considerata matura e “non ci sono state innovazioni importanti nella chimica cellulare fondamentale negli ultimi 40 anni”.
La chiave dell’innovazione del team è un nuovo tipo di elettrolita, il materiale che si trova tra i due poli elettrici della batteria, il catodo e l’anodo, e consente ai portatori di carica di passare da un lato all’altro. Utilizzando un nuovo composto fluorurato liquido, il team ha scoperto che potevano combinare alcune delle funzioni del catodo e dell’elettrolita in un composto, chiamato catolita. Ciò consente di risparmiare gran parte del peso delle tipiche batterie primarie, afferma Gao.
Sebbene ci siano altri materiali oltre a questo nuovo composto che potrebbero teoricamente funzionare in un ruolo di catolita simile in una batteria ad alta capacità, spiega Gallant, quei materiali hanno tensioni intrinseche inferiori che non corrispondono a quelle del resto del materiale in una batteria di pacemaker convenzionale, un tipo noto come CF x . Poiché l’uscita complessiva dalla batteria non può essere superiore a quella del materiale inferiore dei due elettrodi, la capacità aggiuntiva andrebbe sprecata a causa della mancata corrispondenza della tensione. Ma con il nuovo materiale, “uno dei vantaggi chiave dei nostri liquidi fluorurati è che il loro voltaggio si allinea molto bene con quello di CFx “, afferma Gallant.
In una batteria CFx convenzionale , l’elettrolita liquido è essenziale perché consente alle particelle cariche di passare da un elettrodo all’altro. Ma “quegli elettroliti sono in realtà chimicamente inattivi, quindi sono fondamentalmente un peso morto”, dice Gao. Ciò significa che circa il 50 percento dei componenti chiave della batteria, principalmente l’elettrolita, è materiale inattivo. Ma nel nuovo design con il materiale catolitico fluorurato, la quantità di peso morto può essere ridotta a circa il 20 percento, afferma.
Le nuove celle forniscono anche miglioramenti della sicurezza rispetto ad altri tipi di prodotti chimici proposti che userebbero materiali catolici tossici e corrosivi, cosa che la loro formula non fa, afferma Gallant. E i test preliminari hanno dimostrato una durata di conservazione stabile per più di un anno, una caratteristica importante per le batterie primarie..
Finora, il team non ha ancora ottenuto sperimentalmente il pieno miglioramento del 50% della densità di energia previsto dalla loro analisi. Hanno dimostrato un miglioramento del 20 percento, che di per sé sarebbe un guadagno importante per alcune applicazioni, afferma Gallant. Il design della cella non è stato ancora completamente ottimizzato, ma i ricercatori possono proiettare le prestazioni della cella in base alle prestazioni del materiale attivo stesso. “Possiamo vedere che le prestazioni a livello di cella previste quando vengono aumentate possono raggiungere circa il 50 percento in più rispetto alla cella CFx “, afferma. Raggiungere quel livello sperimentalmente è il prossimo obiettivo della squadra.
Sevilla, uno studente di dottorato nel dipartimento di ingegneria meccanica, si concentrerà su quel lavoro il prossimo anno. “Sono stato coinvolto in questo progetto per cercare di capire alcuni dei limiti del perché non siamo stati in grado di raggiungere la piena densità di energia possibile”, dice. “Il mio ruolo è stato cercare di colmare le lacune in termini di comprensione della reazione sottostante”.
Un grande vantaggio del nuovo materiale, dice Gao, è che può essere facilmente integrato nei processi di produzione delle batterie esistenti, come semplice sostituzione di un materiale con un altro. Le discussioni preliminari con i produttori confermano questa sostituzione potenzialmente facile, afferma Gao. Il materiale di partenza di base, utilizzato per altri scopi, è già stato ampliato per la produzione, afferma, e il suo prezzo è paragonabile a quello dei materiali attualmente utilizzati nelle batterie. È probabile che anche il costo delle batterie che utilizzano il nuovo materiale sia paragonabile a quello delle batterie esistenti, afferma.
Il team ha già richiesto un brevetto sul catolita e si aspetta che le applicazioni mediche saranno probabilmente le prime ad essere commercializzate, forse con un prototipo su larga scala pronto per essere testato su dispositivi reali entro circa un anno.
Più avanti, probabilmente anche altre applicazioni potrebbero trarre vantaggio dai nuovi materiali, come contatori intelligenti di acqua o gas che possono essere letti da remoto, o dispositivi come i transponder EZPass, aumentando la loro vita utile, affermano i ricercatori. L’alimentazione per droni o veicoli sottomarini richiederebbe una potenza maggiore e quindi potrebbe richiedere più tempo per essere sviluppata. Altri usi potrebbero includere batterie per apparecchiature utilizzate in siti remoti, come impianti di perforazione per petrolio e gas, compresi dispositivi inviati nei pozzi per monitorare le condizioni.
