Cella elettrochimica metallo-aria
Una cella elettrochimica metallo-aria è una cella elettrochimica che usa un anodo costituito da metallo puro e di un catodo esterno a contatto con l'aria ambientale, tipicamente con un elettrolita acquoso o aprotico.[1][2]
Durante la fase di scaricamento di una cella elettrochimica metallo-aria, avviene una reazione di riduzione nel catodo esposto all'aria ambientale, mentre il metallo dell'anodo è ossidato. Tale ossidazione, del metallo M dell'anodo, produce ioni del metallo (M+) che si muovono attraverso l'elettrolita fino al catodo dove interagiscono con l'ossigeno (O2) per formare ossidi di metallo (MO2X).[3]
La capacità specifica e la densità energetica delle celle elettrochimiche metallo-aria sono più alte rispetto a quelle delle batterie agli ioni di litio, rendendole un candidato primario per l'uso nei veicoli elettrici e immagazzinamento dell'energia prodotta da fonti rinnovabili. Per esempio le batterie agli ioni di litio hanno una densità energetica di circa 100-200 Wh/Kg, mentre litio-aria sono di circa 3458 Wh/Kg [3]. Pur essendoci alcune applicazioni commerciali, le complicanze associate a catalisi, elettroliti e anodi metallici hanno reso complesso lo sviluppo e l'implementazione di batteria metallo-aria.[4][5]
L'invenzione delle celle elettrochimiche metallo-aria è avvenuta in tempi diversi a seconda del metallo usato, ad esempio: zinco-aria è del 1878, alluminio-aria del 1962, ferro-aria è del 1968, sodio-aria è del 2012 e potassio-aria è del 2013.[6]
L'uso pratico di celle elettrochimiche metallo-aria è molto difficile poiché ci sono diversi problemi da risolvere, tra i quali[3]:
- l'anodo di metallo reagisce con l'elettrolita formando uno strato non reattivo chimicamente, tale strato forma un film detto SEI (Solid Electrolyte Interphase) che causa perdite prestazionali irreversibili
- la formazione di dendriti nell'anodo che causano cortocircuiti interni e che possono portare ad esplosioni
- difficoltà a reperire elettroliti che siano altamente stabili, abbiano bassa volatilità, abbiano non tossicità e siano altamente solubili con l'ossigeno
- la stabilità dei materiali dove avviene la reazione nel catodo (usando materiali di carbonio si ha instabilità durante le fasi di carica/scarica superiori a 3,5 V che comportano perdita di prestazioni e riducono il numero massimo di cicli di ricarica)
Tipi per elemento dell'anodo
[modifica | modifica wikitesto]Alluminio
[modifica | modifica wikitesto]L'invenzione di tale metodo risale al 1962.
Calcio
[modifica | modifica wikitesto]L'invenzione di tale metodo risale al .
Ferro
[modifica | modifica wikitesto]L'invenzione di tale metodo risale al 1968.
Litio
[modifica | modifica wikitesto]L'invenzione di tale metodo risale al .
Magnesio
[modifica | modifica wikitesto]L'invenzione di tale metodo risale al 1966.
Potassio
[modifica | modifica wikitesto]L'invenzione di tale metodo risale al 2013.
Sodio
[modifica | modifica wikitesto]L'invenzione di tale metodo risale al 2012.
Zinco
[modifica | modifica wikitesto]L'invenzione di tale metodo risale al 1878.
Confronto
[modifica | modifica wikitesto]| Elemento anodo | Energia specifica teorica, Wh/kg (compreso l'ossigeno) |
Energia specifica teorica, Wh/kg (escluso ossigeno) |
Tensione a circuito aperto calcolata, V |
|---|---|---|---|
| Alluminio | 4300[7] | 8140[8] | 1.2 |
| Germanio | 1480 | 7850 | 1 |
| Calcio | 2990 | 4180 | 3.12 |
| Ferro | 1431 | 2044 | 1.3 |
| Litio | 5210 | 11140 | 2.91 |
| Magnesio | 2789 | 6462 | 2.93 |
| Potassio | 935[9] | 1700[Note 1] | 2.48[9] |
| Sodio | 1677 | 2260 | 2.3[10][11] |
| Stagno[12] | 860 | 6250 | 0,95 |
| Zinco | 1090 | 1350 | 1.65 |
Note
[modifica | modifica wikitesto]- Note al testo
- ^ Calcolato dal valore della densità energetica (compreso l'ossigeno) e dal peso atomico 39,1 e 16 rispettivamente per K e O per KO2
- Fonti
- ^ Metal air, su batteriesdigest.com, 27 dicembre 2010 (archiviato dall'url originale il 27 dicembre 2010).
- ^ Metal–Air Batteries Lithium, Aluminum, Zinc, and Carbon (PDF), su netl.doe.gov. URL consultato il 4 aprile 2013 (archiviato dall'url originale il 28 gennaio 2017).
- ^ a b c Metal-Air Batteries: Promises and Challenges, su large.stanford.edu, 20 novembre 2016.
- ^ Y. Li e J. Lu, Metal–Air Batteries: Will They Be the Future Electrochemical Energy Storage Device of Choice?, in ACS Energy Letters, vol. 2, n. 6, 2017, pp. 1370–1377, DOI:10.1021/acsenergylett.7b00119, OSTI 1373737.
- ^ X. Zhang, X. Wang, Z. Xie e Z. Zhou, Recent progress in rechargeable alkali metal–air batteries, in Green Energy & Environment, vol. 1, n. 1, 2016, pp. 4–17, DOI:10.1016/j.gee.2016.04.004.
- ^ pubs.rsc.org, https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cs/c4cs00015c.
- ^ Electrically Rechargeable Metal-Air Batteries (ERMAB), su sifemurcia-europa.com, 30 luglio 2009. URL consultato il 29 marzo 2022 (archiviato dall'url originale il 3 marzo 2016).
- ^ Batteries for Oxygen Concentrators | Electrochemistry, su electrochemistry.grc.nasa.gov, 31 dicembre 2013. URL consultato il 29 marzo 2022 (archiviato dall'url originale il 26 febbraio 2014).
- ^ a b Xiaodi Ren e Yiying Wu, A Low-Overpotential Potassium–Oxygen Battery Based on Potassium Superoxide, in Journal of the American Chemical Society, vol. 135, n. 8, 27 febbraio 2013, pp. 2923–2926, DOI:10.1021/ja312059q.
- ^ (EN) Qian Sun, Yin Yang e Zheng-Wen Fu, Electrochemical properties of room temperature sodium–air batteries with non-aqueous electrolyte, in Electrochemistry Communications, vol. 16, n. 1, 1º marzo 2012, pp. 22–25, DOI:10.1016/j.elecom.2011.12.019.
- ^ BASF investigating sodium-air batteries as alternative to Li-air; patent application filed with USPTO, su Green Car Congress.
- ^ (EN) HyungKuk Ju e Jaeyoung Lee, High-temperature liquid Sn-air energy storage cell, in Journal of Energy Chemistry, vol. 24, n. 5, 2015-09, pp. 614–619, DOI:10.1016/j.jechem.2015.08.006.