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'anodoModifica

AlluminioModifica

L'invenzione di tale metodo risale al 1962.

CalcioModifica

L'invenzione di tale metodo risale al .

FerroModifica

L'invenzione di tale metodo risale al 1968.

LitioModifica

L'invenzione di tale metodo risale al .

MagnesioModifica

L'invenzione di tale metodo risale al 1966.

PotassioModifica

L'invenzione di tale metodo risale al 2013.

SodioModifica

L'invenzione di tale metodo risale al 2012.

ZincoModifica

L'invenzione di tale metodo risale al 1878.

ConfrontoModifica

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

NoteModifica

Note al testo
  1. ^ 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
  1. ^ Metal air, su batteriesdigest.com, 27 dicembre 2010 (archiviato dall'url originale il 27 dicembre 2010).
  2. ^ Metal–Air Batteries Lithium, Aluminum, Zinc, and Carbon (PDF), su netl.doe.gov. URL consultato il 4 aprile 2013.
  3. ^ a b c Metal-Air Batteries: Promises and Challenges, su large.stanford.edu, 20 novembre 2016.
  4. ^ 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.
  5. ^ 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.
  6. ^ pubs.rsc.org, https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cs/c4cs00015c.
  7. ^ 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).
  8. ^ 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).
  9. ^ 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.
  10. ^ (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.
  11. ^ BASF investigating sodium-air batteries as alternative to Li-air; patent application filed with USPTO, su Green Car Congress.
  12. ^ (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.