Le batterie al litio che diventano quasi immortali

Scienziati dell’Università della California hanno inventato una batteria agli ioni di litio con elettrodi a base di nanofili in oro rivestiti con un coating di biossido di manganese. Ha sopportato 200.000 cicli di carica-scarica senza nessuna frattura. Grazie a un elettrolita costituito da un gel con caratteristiche chimico-fisiche simili al plexiglass.

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Un gruppo di ricerca dell’Università della California Irvine (UCI) ha inventato una batteria agli ioni di litio che può essere ricaricata centinaia di migliaia di volte con un’estrema stabilità, rendendo quindi più vicino lo sviluppo di batterie che non richiederebbero di essere sostituite dopo un certo numero di anni di funzionamento.

Le strutture di base di queste nuove batterie sono chiamate “nanofili” per le dimensioni (dell’ordine del nanometro: 10-9 metri) e perché si tratta di materiali conduttori, allungati e sottili.

Gli scienziati hanno utilizzato nanofili in oro rivestiti di biossido di manganese (MnO2). Migliaia di volte più sottili di un capello umano, questi nanofili sono altamente conduttivi e garantiscono una grande superficie per lo stoccaggio e il trasferimento di elettroni.

Nessuna frattura in 200.000 cicli di carica-scarica

Sono stati usati nanofili d’oro (sviluppati su supporto in vetro) con dimensioni di 240 nm (lunghezza) e 35 nm (spessore) e i ricercatori hanno condotto le proprie analisi modificando lo spessore del rivestimento di biossido di Manganese (tra 143 e 300 nm).

Ricerche precedenti avevano dimostrato che i nanofili sono troppo deboli e non reggono a ripetuti cicli di carica e scarica e gli scienziati hanno risolto questo problema proprio tramite il coating in biossido di Manganese.

Il materiale (nanofili e coating) è stato inserito in un elettrolita costituito da un gel con caratteristiche chimico-fisiche simili al plexiglass e questa combinazione è risultata assai resistente, visto che nel corso di tre mesi sono stati realizzati 200.000 cicli di carica-scarica senza che siano state rilevate perdite di capacità o fratture nei nanofili (tipicamente, nanofili di questo tipo riescono a resistere al massimo a 5.000-7.000 cicli). I risultati sono stati pubblicati sull’American Chemical Society’s Energy Letters (vedi allegato in basso).

Perché la batteria è così resistente?

I ricercatori UCI hanno utilizzato intenzionalmente dei nanofili molto lunghi rispetto alla loro larghezza al fine di rivelare o amplificare gli effetti di eventuali guasti. I ricercatori spiegano che nessun guasto è stato rilevato grazie al fatto che il gel ha plastificato l’ossido di metallo nella batteria, conferendole elasticità e prevenendo così le fratture.

Lo studio nasce da una collaborazione tra l’Università della California e il Nanostructures for Electrical Energy Storage Energy Frontier Research Center all’University of Maryland, con un finanziamento del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Poiché si tratta di un’attività di ricerca di base, è ancora presto per parlare di tempistiche per la messa in commercio di sistemi di stoccaggio dell’energia a base di nanofili, come anche dei costi di queste eventuali batterie.

Non solo nanofili in oro

Ma non sono unicamente i nanofili in oro a essere al centro dell’attenzione del mondo scientifico per lo sviluppo di batterie innovative e più performanti. In giro per il mondo sono diversi i gruppi di ricerca attivi nell’indagine di materiali innovativi.

Ad esempio, la Vanderbilt University (Tennessee) e la George Washington University (Washington State) hanno sviluppato un nuovo processo alimentato dall’energia solare che permette di sottrarre anidride carbonica dall’atmosfera e usarla in batterie agli ioni di litio o al sodio grazie a nanotubi di carbonio. Questi materiali consentono di rendere economicamente conveniente la cattura della CO2 (tramite l’uso delle rinnovabili) e migliorare la qualità delle batterie.

In un’altra ricerca condotta da scienziati dell’Università di Cambridge e dell’Istituto di Tecnologia di Pechino, sono state realizzate delle batterie litio-zolfo (Li-S) a base di grafene usato come ponte tra le diverse componenti. In tal modo, si sono ottenuti accumulatori che garantiscono una maggiore densità energetica. Lo zolfo è stato usato per la realizzazione del catodo. È un elemento economico, con una maggiore tolleranza al sovraccarico, minore tossicità e peso inferiore rispetto ai tradizionali ioni di litio. Secondo i ricercatori, utilizzare un catodo di zolfo consente di risolvere le problematiche connesse all’efficienza delle batterie e al degrado delle stesse.

I prezzi delle batterie tendono a scendere

Se la ricerca scientifica sta facendo dei passi in avanti nello sviluppo di batterie innovative e con lunghezze di vita molto maggiori di quelle attuali, i prezzi dei dispositivi già in commercio tendono comunque a scendere.

Dal 2010 il prezzo medio delle batterie dei veicoli elettrici è sceso da una media di 1.000 dollari per kWh ai 350 per kWh del 2015, con una diminuzione di ben il 35% tra il 2014 e il 2015. Questo secondo il rapporto “Global Trends in Renewable Energy Investment 2016 realizzato da Unep (United Nations Environment Programme) e da Bnef (Bloomberg New Energy Finance). La ragione principale consiste nei buoni risultati del mercato di veicoli elettrici e ibridi plug-in (+60% fra il 2014 e il 2015 a livello mondiale). 

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