Creato un nuovo metallo eccezionalmente forte e leggero

Traduzione a cura di Denis Gobbi

Un team guidato da ricercatori della UCLA Henry Samueli School di Ingegneria e Scienze Applicate ha creato un metallo strutturale super-forte ma leggero con un forza specifica eccezionalmente resistente in termini assoluti. Il nuovo metallo è composto da magnesio infuso in maniera densa e omogenea con nanoparticelle ceramiche di carburo di silicio. Potrebbe essere utilizzato per creare aeroplani, moduli spaziali e auto più leggere – aiutando a migliorare l’efficienza energetica di questi mezzi – come anche nell’industria dell’elettronica portatile e dei dispositivi biomedici.

Per creare questo metallo super-forte ma leggero, la squadra ha trovato un nuovo modo per disperdere e stabilizzare nanoparticelle all’interno del metallo fuso. Hanno anche sviluppato un metodo di manifattura scalabile che potrebbe aprire la strada per altri metalli superleggeri con caratteristiche simili. La ricerca è stata pubblicata su Nature.

“E’ stato ipotizzato che le nanoparticelle potrebbero realmente rafforzare la resistenza dei metalli senza danneggiarne la plasticità, specialmente metalli leggeri come il magnesio, ma nessun gruppo è mai stato in grado di disperdere nanoparticelle ceramiche in metalli fusi fino ad ora”

ha affermato Xiaochun Li, il principale indagatore sulla ricerca con cattedra Raytheon in Ingegneria Manifatturiera all’UCLA.

“Con una infusione di processi fisici e materiali, il nostro metodo apre un nuovo mondo riguardante il miglioramento delle caratteristiche dei metalli per superare le sfide della società moderna nel campo dell’energia e della sostenibilità.”

 

Sulla sinistra, un campione deformato del metallo puro; sulla destra, il nuovo e resistente metallo composto da magnesio e nanoparticelle di carburo di silicio. Ogni micro-colonna ha un diametro di circa 4 micrometri. Credit: UCLA Scifacturing Laboratory

 

I metalli strutturali sono metalli portanti; essi vengono utilizzati negli edifici e nei veicoli. Il magnesio, con due terzi della densità rispetto all’alluminio, è il più leggero metallo strutturale. Il carburo di silicio è una ceramica ultra-resistente comunemente utilizzata nelle lame da taglio industriali. La tecnica dei ricercatori che infonde un grande numero di particelle di carburo di silicio più piccole di 100 nanometri nel magnesio aggiunge una quantità significante di resistenza, rigidità, plasticità e durabilità ad alte temperature.

Il nuovo magnesio infuso con carburo di silicio dei ricercatori ha dimostrato livelli record di resistenza specifica – ovvero quanto peso un materiale può sopportare prima di rompersi – e modulus – la rigidità del materiale in rapporto al suo peso. ha inoltre dimostrato una stabilità superiore ad alte temperature.

Le particelle di ceramica sono a lungo state considerate potenzialmente in grado di migliorare i metalli. L’inconveniente con particelle di ceramica su microscala stava nel processo d’infusione causava una perdita di plasticità.

Le particelle su nanoscala, al contrario, possono migliorare la resistenza mantenendo e addirittura migliorando la plasticità dei metalli. Il nuovo problema consisteva nel fatto che le particelle di ceramica tendevano a raggrupparsi insieme piuttosto che a distribuirsi omogeneamente a causa della tendenza delle piccole particelle nell’attrarsi l’una con l’altra.

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno disperso le perticelle in una lega di magnesio e zinco. La scoperta di questa nuova dispersione nanoparticellare fà affidamento sull’energia cinetica del movimento delle particelle. Questa le stabilizza e ne previene l’aggregazione.

Per migliorare ulteriormente la forza del materiale, i ricercatori hanno usato una tecnica chiamata torsione ad alta pressione per comprimerlo.

“I risultati che abbiamo ottenuto fino ad ora sono semplicemente stati ottenuti graffiando la superficie del tesoro nascosto di una nuova classe di metalli con proprietà e funzionalità rivoluzionarie,” ha affermato Li.

Il nuovo metallo (più accuratamente chiamato metallo nanocomposto) è composta dal 14% circa di nanoparticelle di carburo di silicio e dall’86% di magnesio. I ricercatori hanno fatto notare che il magnesio è una risorsa abbondante e che il suo utilizzo su scala maggiore non causerà danni all’ambiente.

Fonte: http://phys.org/

 

 

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Una nuova compagnia startup promette una batteria rivoluzionaria

Traduzione a cura di Daniel Iversen

La Eos Energy Storage afferma che le batterie aria-zinco possono immagazzinare abbastanza energia per soddisfare i picchi di consumo e ad un costo molto inferiore.

Lunga vita: Questo prototipo di batteria aria-zinco può essere caricata e scaricata 2700 volte senza degreadazioni fisiche.

L’azienda produttrice riferisce di aver risolto i principali problemi che frenano una tecnologia che potrebbe rivoluzionare lo stoccaggio in rete dell’energia.
Se la compagnia avesse ragione, le batterie aria-zinco saranno in grado di immagazzinare energia alla metà del costo attuale per l’approviggionamento di gas naturale, il metodo usato per soddisfare le grandi richieste di energia.

I responsabili dell’azienda dicono che gli attuali prototipi evidenziano già il doppio della densità energetica delle batterie agli ioni di litio.

Sostengono inoltre che il prodotto finale durerà almeno 30 anni se impiegato per l’accumulo dell’energia in eccesso prodotta dalla rete elettrica, con un ciclo di vita di molto superiore a quello delle batterie al piombo, rendendole tra le batterie più durature in circolazione.
L’amministratore delegato Michael Oster afferma che la Eos a breve si concluderà una raccolta fondi di 10 milioni di dollari.

“Se ottenessero quello che dicono, sarebbe rivoluzionario” dice Steve Minnihan, analista della Lux Research, il quale spiega che questa tecnologia mostra di essere promettente sia nello stoccaggio per la rete elettrica sia per i veicoli elettrici.

La tecnologia aria-zinco attrae da molto tempo gli sviluppatori di batterie per via della loro sicurezza, del basso costo e l’offerta di alte densità di energia.
Diversamente dalle batterie convenzionali, dove tutti i reagenti sono imballati all’interno della batteria stessa, le celle aria-zinco assorbono l’ossigeno dall’aria per generare corrente.
Il ricorso all’utilizzo dell’aria esterna conferisce a queste batterie una capacità superiore in rapporto a volume e costi per i materiali più bassi. Inoltre queste batterie, a differenza di quelle agli ioni di litio, presentano una chimica a base d’acqua e non sono propense a incendiarsi.

Finora tuttavia, tali batterie hanno avuto basse efficienze e cicli di vita corti, limitando il loro uso ad applicazioni piccole e non ricaricabili, come gli apparecchi acustici.
I tecnici della EOS hanno però risolto diversi problemi confermando gli sforzi precedenti.

I progressi chiave effettuati coinvolgono cambiamenti nella chimica elettrolitica e nel design delle celle. Le batterie aria-zinco in genere usano idrossido di potassio, una soluzione basica che assorbe l’anidride carbonica dall’aria. Questo permette al carbonato di potassio di accrescere, lentamente, intasando i pori della cella.

Dato che le batterie della Eos usano un nuovo elettrolita a pH neutro, spiega Oster, queste non hanno bisogno di assorbire l’anidride carbonica. L’azienda usa anche configurazione unica, con una cella orizzontale per separare l’elettrolita liquido dall’aria, la separazione si realizza per mezzo della gravità piuttosto che con una membrana fisica. La modifica, spiega, previene la crescita di zinco sull’elettrolita, che può provocare la rottura della membrana e causare il collasso della cella.

Stoccaggio d'energia: Un rendering mostra come un sistema di stoccaggio basato su batterie ad aria-zinco potrebbe apparire. Eos Energy Storage

Oster dice che l’azienda ha portato a termine piu di 2.700 cicli senza alcuna degradazione fisica in una batteria con la capacità di un terzo di kilowatt. In confronto, la ReVolt Technology, un concorrente leader che mira a una tecnologia simile, spera di raggiungere 1000 cicli entro il 2013. Minnihan, tuttavia, dice che la Eos ha ancora una lunga strada per arrivare a ultimare l’obiettivo di 10.000 cicli con batterie nella scala dei megawatt.

Oster spiega che l’azienda mira a vendere batterie nella scala dei megawatt con una capacità di stoccaggio di 6 ore a un costo capitale di 160 dollari per kilowatt/ora. Stoccando l’energia quando la richiesta è bassa, continua, le batterie dovrebbero essere in grado di fornire elettricità a 12-17 cents kilowatt/ora nei momenti di picco della domanda, invece che dai 22 fino ai 33 cents kw/ora chiesti per l’elettricità prodotta da impianti a gas naturale.

Jeff Dahn, professore di fisica e chimica alla Dalhousie University, afferma che aver risolto i problemi riguardanti gli elettroliti e la membrana, dovrebbe già essere un significantivo passo in avanti per le batterie zinco-aria. “Ma fateci vedere i dati” dice “Non è stato mostrato niente di tutto ciò”.

Dahn sostiene anche che l’efficienza massima delle batterie zinco-aria, mettendo a rapporto la quantità di energia che entra con la quantità di energia che esce, è solo del 60% percento, paragonata all’80 % per le batterie al piombo e a più del 95 % per le batterie agli ioni di litio.
Dice inoltre che la bassa efficienza risultante è dovuta alla differenza di voltaggio tra la fase di carica e quella di scarica, e che dipende dal tipo di batteria.

Eos afferma di aver trovato dei modi per risolvere le differenze di voltaggio e aumentare l’efficienza, ma Dahn non è convinto. “Molte persone hanno lavorato a lungo sulle ricaricabili zinco-aria e il problema dell’efficienza non è ancora stato aggirato”.

Fonte: Techonology Review

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