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.

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).

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 . 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.

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.

L'uso pratico di celle elettrochimiche metallo-aria è molto difficile poiché ci sono diversi problemi da risolvere, tra i quali: 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 Alluminio L'invenzione di tale metodo risale al 1962.

Calcio L'invenzione di tale metodo risale al .

Ferro L'invenzione di tale metodo risale al 1968.

Litio L'invenzione di tale metodo risale al .

Magnesio L'invenzione di tale metodo risale al 1966.

Potassio L'invenzione di tale metodo risale al 2013.

Sodio L'invenzione di tale metodo risale al 2012.

Zinco L'invenzione di tale metodo risale al 1878.

Confronto 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 8140 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 1700Calcolato dal valore della densità energetica (compreso l'ossigeno) e dal peso atomico 39,1 e 16 rispettivamente per K e O per KO2 2.48 Sodio 1677 2260 2.3 Stagno 860 6250 0,95 Zinco  1090 1350 1.65

Note Note al testo

Fonti

Categoria:Celle elettrochimiche