Il trattamento con l'idrogeno può migliorare le batterie agli ioni di litio

Jianchao Ye e Morris Wang (LLNL). Foto di Julie Russell

La crescente domanda di stoccaggio di energia impone l'urgente necessità di arrivare a produrre batterie sempre più performanti, in particolare quelle agli ioni di litio, migliorandone la capacità, tensione e densità di energia.
Batterie agli ioni di litio stanno crescendo a livello di mercato per applicazioni  sia nei veicoli aerospaziali che nei  più tradizionali veicoli elettrici,  come le golf car nelle quali vanno a sostituire le comuni batterie al piombo storicamente utilizzate come pure nei veicoli commerciali. Al posto delle pesanti lastre di piombo con elettroliti acidi, la nuova tendenza è quella di utilizzare le batterie agli ioni di litio, essendo molto più leggere, senza richiedere modifiche del sistema di azionamento del veicolo pur potendo fornire la stessa tensione delle batterie al piombo.
Un nuovo orientamento per l'accumulo di energia nelle applicazioni commerciali è quella che riguarda  i materiali di grafene, anche nelle batterie agli ioni di litio oltre che nei supercondensatori (supercaps), che però si scontra con la difficoltà di produrre materiali in grandi quantità e a basso costo. Altro punto critico nei metodi di sintesi chimiche utilizzate frequentemente oggi risiede nel asciare dietro di sé una quantità significativa di idrogeno atomico, il cui effetto sulle prestazioni elettrochimica del ​​grafene è ancora difficile da ridurre o addirittura determinare e capire.
Quei limiti e quel punto critico descritti sopra sembrano essere superati dagli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America, gestito dall'Università della California e ubicato nella città di Livermore). I loro esperimenti e calcoli multiscala rivelano che il trattamento intenzionale a bassa temperatura del grafene con idrogeno può migliorare significativamente la capacità. In pratica l'idrogeno ha la particolare propensione di interagire e agire sui i difetti del grafene aprendo piccole aperture tali da facilitare la penetrazione del litio nella struttura del grafene migliorando la qualità del trasporto degli ioni.
Per studiare il coinvolgimento dell'idrogeno nei difetti idrogenati e nel miglioramento della capacità del grafene di stoccaggio del litio, il team ha applicato diverse condizioni di trattamento termico in combinazione con l'esposizione dell'idrogeno studiando le prestazioni elettrochimiche tridimensionali degli elettrodi,  3-D graphene nanofoam (GNF) electrodes, che sono composti principalmente da grafene difettoso. Il team ha utilizzato 3-D nanospugne di grafene a seguito delle considerazioni del fatto che con esse vi sono numerose applicazioni potenziali, compreso lo stoccaggio dell'idrogeno, catalisi, filtrazione, isolamento, assorbimenti di energia, dissalazione capacitiva, supercondensatori e LIBS (laser induced breakdown spectroscopy), quindi un potenziale grande mercato.
In sostanza si è arrivati ad un drastico miglioramento della capacita negli elettrodi di grafene nanoschiuma dopo il trattamento con l'idrogeno. Combinando i risultati sperimentali con simulazioni dettagliate, i ricercatori sono stati in grado di rintracciare i miglioramenti delle minute interazioni tra i difetti e l'idrogeno dissociato. Ciò si traduce in alcune piccole modifiche nella chimica e nella morfologia del  grafene che determinano un sorprendentemente enorme effetto sulle performance.
In definitiva la ricerca suggerisce che il trattamento con l'idrogeno controllato può essere utilizzata come strategia per ottimizzare il trasporto e lo stoccaggio col litio e con altri materiali anodici basati sul grafene.

Quale sia questo miglioramento non è stato specificato quindi, come al solito, non possiamo che terminare dicendo: restiamo in ansiosa attesa degli sviluppi della ricerca, dei dati effettivi, e in ultimo delle applicazioni commerciali.

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