Idruri metallici per le applicazioni delle batterie al nichel-metallo idruro

Gli idruri metallici svolgono un ruolo fondamentale nelle batterie al nichel-metallo idruro. Contribuiscono a immagazzinare e rilasciare l'idrogeno. Il loro utilizzo consente di migliorare le prestazioni e la sicurezza delle batterie.

I composti di idruri metallici si formano quando l'idrogeno entra in contatto con i metalli. Questi composti hanno un eccellente potenziale di assorbimento ed emissione di idrogeno gassoso. Ciò ha reso i composti di idruri metallici molto importanti per i prodotti a base di idruri metallici di nichel. Attualmente, questi composti vengono utilizzati per alimentare auto ibride, gadget elettronici e qualsiasi applicazione che richieda celle ricaricabili.

Tipi di batterie a confronto

Oggi sono disponibili diversi tipi di batterie.

Ad esempio, le batterie al nichel-metallo idrato funzionano secondo un principio diverso rispetto a quelle al nichel-cadmio. Le batterie al nichel-cadmio contengono cadmio. Di solito sono famose come batterie a memoria. Le batterie al nichel-metallo-idrato contengono idruro metallico. Queste batterie hanno una minore perdita di memoria.

Sono disponibili altre opzioni. Le batterie agli ioni di litio sono un'alternativa. Hanno una capacità elevata, ma occorre ricordare che devono essere ricaricate con molta attenzione. Le batterie al piombo sono molto pesanti.

Gli idruri metallici, nelle applicazioni delle batterie al nichel idruro metallico, offrono il necessario equilibrio tra densità energetica e sicurezza. Nel corso del tempo, gli ingegneri hanno preferito utilizzare i sistemi agli idruri metallici in varie applicazioni.

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Strutture cristalline dei materiali delle batterie all'idruro metallico di nichel

La struttura cristallina dei materiali delle batterie al nichel idruro metallico è molto importante. La disposizione degli atomi influisce sulla capacità di immagazzinare e rilasciare l'idrogeno. Molti materiali per batterie al nichel idruro metallico seguono una struttura AB5. In questo modello, l'idruro metallico è costituito da un elemento di terra rara o di metallo di transizione e da altri cinque atomi di metallo. Questa struttura crea spazi in cui gli atomi di idrogeno possono depositarsi.

Gli ingegneri e gli scienziati misurano questi cristalli e utilizzano la diffrazione dei raggi-X. Con misurazioni accurate, possono sapere quanto idrogeno può essere assorbito. Questa struttura offre una buona reversibilità e stabilità.

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Strutture cristalline dei materiali delle batterie (AB5, AB2, ecc.)

Nelle batterie al nichel-metallo idruro (NiMH), la struttura cristallina della lega che assorbe l'idrogeno gioca un ruolo fondamentale nel determinare le prestazioni. Tra le più studiate vi sono le strutture di tipo AB₅ e AB₂, dove "A" e "B" si riferiscono a diversi componenti metallici. Questi materiali sono essenziali nelle applicazioni che richiedono una lunga durata del ciclo, un'elevata capacità di idrogeno e un efficiente comportamento di carica/scarica, proprietà cruciali per i veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV) e i veicoli elettrici (EV).

La struttura di tipo AB₅, comunemente presente nelle batterie NiMH, incorpora tipicamente elementi di terre rare nel sito A e metalli di transizione nel sito B. Questa struttura offre una combinazione ben bilanciata di capacità di immagazzinamento dell'idrogeno e cinetica favorevole, rendendola una scelta affidabile per le applicazioni consumer e automotive. Ad esempio, le batterie NiMH sigillate utilizzate nella Toyota™ Prius (modelli II-V) sono basate su materiali di tipo AB₅ e hanno dimostrato un'autonomia fino a 150.000 miglia, come riportato nei test di laboratorio dei produttori.¹⁹

Le strutture di tipo AB₂, invece, sono anch'esse costituite da due componenti metallici, ma offrono caratteristiche elettrochimiche leggermente diverse. Mentre le leghe AB₂ possono presentare capacità di idrogeno più elevate, la loro stabilità di fase e la resistenza alla degradazione durante i cicli possono variare, a seconda della composizione e della microstruttura.

Nella ricerca sulle batterie, sia gli idruri AB₅ che quelli AB₂ vengono analizzati attentamente per quanto riguarda i parametri reticolari, le trasformazioni di fase e la stabilità termica, poiché anche piccoli aggiustamenti negli elementi di lega possono influenzare significativamente le prestazioni e la durata. Questi composti, oggi spesso definiti "idruri classici", rimangono molto importanti. Attraverso la micro-legatura dei metalli del sito A e B, i ricercatori sono stati in grado di migliorare la stabilità elettrochimica e di estendere ulteriormente la durata dei cicli, rendendoli forti candidati per la prossima generazione di batterie NiMH ad alte prestazioni.

Reazioni elettrochimiche nelle batterie al nichel idruro metallico

Nelle batterie al nichel idruro metallico, le reazioni elettrochimiche sono utilizzate per la produzione di energia elettrica. In questo caso, l'idruro metallico viene utilizzato per immagazzinare atomi di idrogeno. Quando la batteria è in fase di scarica, gli ioni di idrogeno si allontanano dall'idruro metallico e si dirigono verso l'elettrodo di ossido di nichel. Durante il movimento, anche gli elettroni viaggiano nel circuito esterno.

Durante la ricarica, si verifica il processo inverso. Gli atomi di idrogeno tornano alla struttura metallica. La reazione è reversibile. Questa proprietà contribuisce a rendere la batteria conveniente. La batteria può essere riutilizzata. Il meccanismo di reazione si è rivelato efficace in diversi studi di ricerca.

Conclusioni

Gli idruri metallici costituiscono una parte fondamentale delle applicazioni delle batterie al nichel-metallo idruro. Migliorano le prestazioni e la stabilità. Le loro strutture cristalline uniche contribuiscono all'accumulo e al rilascio di energia. Le reazioni elettrochimiche coinvolte sono semplici. I vantaggi per la società includono sistemi energetici più sicuri e un minore impatto ambientale.

Domande frequenti

F: Che ruolo hanno gli idruri metallici in queste batterie?
D: Assorbono e rilasciano idrogeno per aiutare a gestire l'energia della batteria.

F: In che modo le strutture cristalline influiscono sulle prestazioni delle batterie?
D: Determinano la capacità di immagazzinare e rilasciare idrogeno negli elettrodi.

F: Perché le batterie al nichel-metallo idruro sono preferite nei veicoli ibridi?
D: Offrono una buona densità energetica, sicurezza e affidabilità, riducendo al contempo i danni ambientali.