Le batterie del futuro: Litio-Silicio, Litio-Aria, Litio-Zolfo, Grafene ...

[jumpjack]

Attenzione perchè mi sa che finalmente ci siamo con le batterie litio-zolfo!
Finora duravano 150-200 cicli, ma ora, grazie al cetil-trimetil-bromuro di ammonio, o come diavolo si chiama in italiano, e al grafene, hanno potato i cicli a circa 500 (con capacità residua 80%) a 1C:

Lithium/Sulfur Cells Provide Long Cycle Life, High Specific Energy | The Power Plant

Il grafico è un po' ingannevole perchè fa sembrare che i cicli siano 1500... ma in realtà a 1500 si ha capacità del 50%, e non si capisce bene quanti Wh/kg sono, visto che nel grafico parlano di mAh/g, che è una grandezza legata al singolo elettrodo e non a tutta la cella.

L'articolo parla però di una "capacità iniziale stimata" di 500 Wh/kg, quindi dopo 500 cicli avremmo 400 Wh/kg e dopo 1500 cicli ne avremmo 250, quanto le più capaci batterie al litio attuali (le panasonic).


Parlano però anche di elettrodo in litio metallico... il che potrebbe essere un problema di sicurezza, se non hanno adottato accorgimenti particolari, perchè le primissime batterie al liti avevano appunto elettrodi in litio metallico, in cui si potevano formare filamenti metallici che causavano cortocircuiti e incendi...

 

[jumpjack]

Nuovo passo avanti anche per le batterie al silicio, ultracapienti (10x) ma al momento "cicloscadenti":

University of Waterloo Develops Flash Heat Treatment Process For Si-Based Anodes For Li-ion Batteries


Il grafico si riferisce ai soli mAh/g, quindi al solo elettrodo in silicio, quindi non si capisce quale sarebbe la capacità complessiva della batteria, ma è comunque interessante il passaggio dai 20 (venti) cicli a 0,1C a 500 (cinquecento) cicli a 1C!

Non capisco invece cosa intendano per efficienza.

Il procedimento usato sul silicio si chiama Flash Heat Treatment, che forse si può tradurre come "Trattamento a impulsi termici" o roba del genere.


Ricapitolando, forse la tecnologia FHT potrebbe permettere di avere batterie da 800Wh/kg e 500 cicli. (La massima capacità teorica del silicio dovrebbe essere 10 volte quella del litio, e qui parlano di 80% della capacità teorica raggiunta)

 

[carest]

jumpjack, io capisco che la differenza tra i due grafici è solo il trattamento termico (FHT) degli anodi; 0,1 e 1,2 A/g non sono convinto si riferisca ai C della "batteria", ma piuttosto alla capacità residua alla fine dei cicli considerati.
Secondo me l'efficienza si riferisce al singolo processo di carica/scarica, che presenta lo stesso andamento nei due grafici: un picco inferiore al 10° ciclo (in coincidenza con il calo iniziale di capacità dell'anodo) e poi si mantiene sempre molto alto; quello che cambia tra i 2 grafici è "solo" la capacità immagazzinata ad ogni ciclo.

Buon Natale a tutti

 

[jumpjack]

Parlando di evoluzione di batterie nel tempo... perchè non sbirciare un po' anche nel passato oltre a guardare al futuro? ;-)

"Non manca molto prima che vengano inventate batterie ad alta capacità", diceva Poynter W. Adams ... nel 1908!!

Però era chiaro fin da allora che le auto elettriche l'avrebbero fatta da padrone in città, e che le ibride (loro le chiamavano "petroelettriche") si sarebbero usate per i viaggi lunghi:

Electric and Petrol-Electric Vehicles – a Book From 1908

Credo che ne 1908 ci fossero solo batterie al piombo da 30 Wh/kg e auto che consumavano 300 Wh/km (come dire 10 kg di batterie per ogni km di autonomia!)

 

[jumpjack]

jumpjack, io capisco che la differenza tra i due grafici è solo il trattamento termico (FHT) degli anodi; 0,1 e 1,2 A/g non sono convinto si riferisca ai C della "batteria", ma piuttosto alla capacità residua alla fine dei cicli considerati.

Non può essere: sarebbero Ah/g, non A/g.
E nel testo si parla di 500 cicli a 1C.

 

[jumpjack]

BRD Motorcycles pronta a immettere sul mercato batterie da 160 Wh/kg (sì ma dove le compro??)
BRD Motorcycles Develops New Battery Pack With Energy Density of 160 Wh/kg

Attualmente le LiFePO4 arrivano a 80-100 Wh/kg, almeno quelle vendute a noi comuni mortali, quelle montate sulle auto di serie non so. Come non so che chimica usi la BRD.

 

[jumpjack]

Il sito di "scienza generalista" SCIX.it si "converte" alla mobilità elettrica

Dopo due anni dedicati alla scienza per l'industria, esclusa quella farmacologica e medica, SCIX desidera contribuire alla ricerca scientifica e tecnologica di nuovi concetti e nuovi sistemi di propulsione e di moto. Focalizzerà l'attenzione sulle Università e Centri di ricerca specifici e sulle riviste soprattutto di fisica, segnalandole ai lettori, ad ogni abstract o articolo, con link alla rivista stessa. Scix si scusa per eventuali imprecisioni nella traduzione.

**scix - Gennaio 2014 HOME Propulsione e Moto**

 

[jumpjack]

Batterie al litio più sicure, più longeve e più prestanti:
Il nuovo materiale PVDF (polyvinylidene difluoride)usato come separatore degli elettrodi riduce la resistenza interna (quindi si possono tirare fuori correnti più grandi senza surriscaldare le batterie), elimina il problema dell'infiammabilità (resiste fino a 160°C, ma poi comunque invece di bruciare diventa un gel) e aumenta la DoD possibile e i cicli di vita.
Una specie di panacea per tutti i mali!
Chissà se e quando uscirà dai laboratori!

Fire-Proof Li-ion Batteries > ENGINEERING.com

 

[lucusta]

ti rimando alla mia perplessita' nel commento 52

i fluorurati sono il domani che avanza... (ed esistono anche in forma liquida)

 

[jumpjack]

E' la prima volta che vedo le prodigiose celle Panasonic in formato di batterie da 48V:

Hanno densità di carica di 230 Wh/kg (contro i 90-100 delle LiFePO4), che significa 20 km di autonomia (15 Ah) in 3 kg di batterie:

Linergy-Shop

Il rovescio della medaglia sono i 900 Euro/kWh contro 600, e i 500 cicli contro 1000.

Datasheet: http://industrial.panasonic.com/www-data/pdf2/ACI4000/ACI4000CE17.pdf

 

[lucusta]

Hanno densità di carica di 230 Wh/kg (contro i 90-100 delle LiFePO4)Il rovescio della medaglia sono i 900 Euro/kWh contro 600, e i 500 cicli contro 1000

È tutto relativo:230*600=138.000Wh/Kg vita100*1000=100.000Wh/Kg vitaQuasi il 40% in più di vita utile, ossia 650 euro/kWh vita, non molto diverso dalle Lifepo4.

 

[jumpjack]

Non capisco che conti hai fatto e come possa entrarci la densità di energia con la convenienza economica, secondo me il conto da fare è questo:

40 km/ciclo
40 Wh/km
=1,6 kWh

230 Wh/kg:
900 Euro/kWh
500 cicl i= 20.000 km
1400 euro
0,070 Euro/km


100 Wh/kg:
600 euro/kWh
1000 cicli = 40.000 km
960 euro
0,024 euro/km

Non solo costano di più in assoluto, ma durando meno km, fanno ulteriormente salire il costo a km.

1000cicli/500cicli = 2x (fattore moltiplicativo dovuto a durata inferiore)
900€/600€ = 1,5x (fattore moltiplicatico dovuto a prezzo superiore)

2x1,5 = prezzo chilometrico triplo (0,070 = 3 x 0,024)

Con la benzina a 1,7 €/L un'auto da 20 km/L costa 0,085 Euro/km: quindi sarebbero ancora convenienti, ma di poco.
Rispetto a uno scooter da 30 km/L non lo sono.
In compenso per eguagliare gli 0,024 Euro/km delle batterie "normali", bisogna trovare uno scooter da 71 km/L...

 

[jumpjack]

ENERGY MOBILITY 2014 ---- Conference & Exhibition
April 28 - 30 , 2014 Multi-Track Conference
San Diego, CA USA

4th International Conference ----- NEXT GENERATION BATTERIES 2014
April 29 - 30 , 2014 Co-Located Conference
San Diego, CA USA

15th International Symposium SMALL FUEL CELLS 2014
April 28 , 2014 Co-Located Symposium
San Diego, CA USA



Knowledge Foundation

 

[jumpjack]

Batterie LiFePO4 ATL-IFR18650 Phostech/Saft/Amperex: 2000 cicli a 6C di scarica!! (DoD 100%? (2.0V) )
http://www.phostechlithium.com/documents/ATLPhostechLithium.pdf


Altre:
http://www.phostechlithium.com/documents/T13-Deveney10thElectrochemicalPowerSources.pdf

VL25Fe (89 Wh/kg):
95% di capacità a 0°C a 5C !! (pag. 7)

VL10Fe (54 Wh/kg):
4400 cicli a 1C/DoD100% !! (pag.8)


Non so se sono in vendita al pubblico.

Con celle VL10Fe una batteria da scooter peserebbe circa 1 kg/km (scooterone) o 0,6 kg per km di autonomia (cinquantino), e per avere 50 km di autonomia per... sempre (4400 cicli=220.000 km) servirebbero 50kg di batterie per uno scooterone e 30 per un ciclomotore.
Con le VL25Fe, se hanno stessa vita delle VL10Fe, avremmo 0,67 e 0,39 kg/km, quindi per 50km e 220.000km basterebbero 34 e 20 kg.

Sembra che la Phostech sia l'unica licenziataria autorizzata a utilizzare la tecnologia originale delle LiFePO4 nanoplaccate al carbonio (C-LiFePO4), inventata dal Dr. John Bannister Goodenough e, a quanto pare, "sgraffignata" dalla Valence e dalla A123, che successivamente avrebbero però perso la guerra del brevetto a seguito di riesame del brevetto stesso!
http://www.phostechlithium.com/documents/PHEV09_MG_Phostech.pdf

 

[jumpjack]

Lunga e completa analisi del 2012 delle batterie al litio, con focus sulle litio-zolfo.
http://ei.haas.berkeley.edu/c2m/pdf/MarketReports/2012/Lithium Sulfur Battery.pdf

Ditte che stanno attualmente ottenendo i migliori risultati sulle Li-S:
Sion power (Tucson, Arizona, USA)
350 Wh/kg attuali
600 previsti
cicli: non dichiarati

Oxis Energy (Abingdon, UK, EU)
300 Wh/kg attuali
500 previsti per il 2016
cicli attuali: 300
300 Wh/kg / 300 cicli: 250 kg = 500 km / 150.000 km
500 Wh/kg / 300 cicli: 250 kg = 833 km / 250.000 km

PolyPlus battery company (Berkley, California, USA)
Ha venduto la tecnologia Li-S di sua invenzione alla Sion per concentrarsi sulle litio-aria e le litio-AcquaDiMare (!)

Vorbeck materials (Jessup, MD, USA)
Nessun dato
Ricevuto finanziamento di 1,5 milioni di dollari dall'ARPA statunitense per sviluppare batteria Li-S a ricarica veloce.


Invece questa ricerca, molto tecnica e complicata, sembrerebbe ventilare la possibilità di migliorare le attuali batterie al litio permettendo prestazioni migliori a bassa temperatura grazie a un nuovo elettrolita, e maggiore ciclabilità; ma mi sembra una ricerca ancora ai primissimi passi:
Novel Electrolyte Enables Stable Graphite Anodes in Lithium Ion Batteries - Energy Innovation Portal

Intanto, al Berkeley National laboratory, ecco spuntare timidamente le prime battere Li-S da 500 Wh/kg e 1500 cicli!
Lithium / Sulfur Cells with Long Cycle Life and High Specific Energy - Energy Innovation Portal

Come dire, con i "tipici" 250 kg di una batteria per auto odierna si avrebbero 830 km di autonomia giornaliera e 1249500 km totali; sì, le cose stanno andando come nel DOS, le cifre diventano talmente lunghe che bisogna iniziare a mettere i separatori di migliaia: sono 1.249.500, oltre un milione di km!!!
Naturalmentea questo punto sarebbe inutile tenere a bordo 250 kg di batterie, ne basterebbero 100 per avere 400 km dii autonomia e 600.000 km di vita.

 

[experimentator]

Oxis Energy (Abingdon, UK, EU)
300 Wh/kg attuali
500 previsti per il 2016
cicli attuali: 300
300 Wh/kg / 300 cicli: 250 kg = 500 km / 150.000 km
500 Wh/kg / 300 cicli: 250 kg = 833 km / 250.000 km

Hai per caso dei dati sul costo attuale di queste batterie ?

 

[jumpjack]

Non sono ancora in commercio, ma dicono che potrebbero costare molto meno delle litio.

 

[jumpjack]

Pronti per le superbatterie nanopeptidiche autobioassemblanti del 2016?
Sono in realtà supercondensatori, ma 12 volte più capaci di quelli odierni... quindi con stessa capacità, se non superiore, delle attuali batterie al litio.

Le stanno studiando gli israeliani:
Notizia: Carica il tuo smartphone in soli 30 secondi - Tom's Hardware

Ricerche:
https://www.eng.tau.ac.il/~gilr/recent.html: 2010-2011 "Peptide nanotubes new energy storage devices-Supercapacitors"- Ministry of Industry of Israel, Magneton program (in cooperation with Prof. E. Gazit)
http://nano.fel.mirea.ru/upload/files/1326_ftp.pdf - Bioinspired peptide nanotubes: deposition technology, basic physics and nanotechnology
applications
Cambridge Journals Online - Journal of Materials Research - Abstract - Bioinspired nanostructural peptide materials for supercapacitor electrodes

 

[jumpjack]

Ancora sulle batterie litio-zolfo (scusate ma sono un po' fissato ):
Progressi della Hyundai sulle LiS grazie a "sulfoni" (?) nell'elettrolita:
Hyundai Motors Improves Lithium Sulfur Battery Technology
Improved Cyclic Performances of Li-Sulfur Batteries with Sulfone-Based Electrolyte
Capacità: 750 mAh/g
Ciclablilità: 72.6% a ??? cicli

Catodo ai copolimeri plastici da University of Arizona, Seoul National University e US National Institute of Standards and Technology (NIST)
Capacità: 1005 mAh/g a 100 cicli
Ciclabilità: 500 cicli a C/10
Green Car Congress: New sulfur-rich copolymer electrodes for Li-S batteries exhibit high-capacity, long-life
Inverse Vulcanization of Elemental Sulfur to Prepare Polymeric Electrode Materials for Li–S Batteries - ACS Macro Letters (ACS Publications)

I ricercatori parlano di "vulcanizzazione inversa" del catodo e di "plastificazione dei polisolfiti", processi che ridurrebbero il danneggiamento progressivo delle batterie dovuto alla produzione, durante cariche e scariche, di polisolfiti che "intasano" gli elettrodi e che diluiscono l'elettrolita, riducendo quindi la capacità delle batterie.

Batterie LiS con catodo nano-impacchettante:
Lithium-sulfur batteries last longer with nanomaterial-packed cathode
Lewis Acid–Base Interactions between Polysulfides and Metal Organic Framework in Lithium Sulfur Batteries - Nano Letters (ACS Publications)
Anche qui si tenta di isolare i "polisolfiti cattivi" che tendono a intasare la batteria; si parla al momento di 90% di carica dopo 100 cicli.

Sembrerebbe una corsa dei ricercatori a chi "esce prima" con risultati almeno promettenti, per accaparrarsi i finanziamenti con cui continuare la ricerca (per questo pubblicano i risultati appena arrivano a 100 cicli, invece di aspettare e vedere a quanto potrebbero arrivare)



Per confronto, le batterie attuali stanno sui 170 mAh/g.
I Wh/kg dipendono dall'altro elettrodo (anodo), ma queste ricerche non danno dettagli.

E poi c'è la Energ2 che "millanta" risultati strabilianti (cicli quintuplicati, alta capacità), ma non trovo dati specifici:
EnerG2 Announces Major Breakthrough in Lithium-Ion Battery Capacity and Performance

 

[lucusta]

in italiano solfoni:
Solfoni - Wikipedia

sono dei composti organici dello zolfo, usati in chimica come solventi polari.

Sulfolano - Wikipedia

questo e' uno dei piu' usati.

una miscela di dimetilsolfossido e di sulfolano puo' dare un equilibrio dinamico stabile, e con l'aggiunta di un catalizzatore (alluminio o platino) favorire reazioni di alchilizzazione.
credo che il termine improprio di vulcanizzazione inversa sia dato alla polimerizzazione dell'elettrolita (in questo caso l'elettolita e' un vero elettrolita, non un diluente inerte usato solo mer massimizzare la mobilità ionica).
definirli pero' polisolfiti... non sono stabili (soprattutto in presenza di umidità, ed e' una metamolecola praticamente solo tecnica, ossia di transizione); i polisolfiti non sono altro che catene in cui il gruppo SO2-- produce concatenzazioni (RR1SO2)n nello stesso aspetto dei polifosfati (HPO3)n.
da quanto ho capito concatenano l'elettrolita con ioni solfuri per eliminare quest'ultimi dai siti attivi dell'elettrodo (reazione di concorrenza).

questo e' una delle illustrazioni possibili, ma.... bho, la chimica e' molto teorica.