Di dimensioni più contenute ma allo stesso tempo più potenti, le batterie litio-zolfo (Li-S) costituiscono un’importante risorsa nell’ambito degli accumulatori, ma un fattore ne ha sempre limitato la diffusione: i cambiamenti strutturali che si verificano negli elettrodi durante le fasi di carica e scarica, quando l’anodo di litio e i catodi di zolfo reagiscono tra loro.
Durante la scarica, il catodo di zolfo tende a espandersi quando prodotti solidi (principalmente Li2S o Li2S/Li2S2) precipitano sulla sua superficie, mentre l’anodo di litio si contrae a causa dell’ossidazione del metallo alcalino. Lo stesso avviene, ma in maniera opposta, durante la carica, causando un rapido consumo dei materiali di cui è costituito l’accumulatore.
Il fenomeno crea, inoltre, strutture ad albero chiamate dendriti, che si ramificano dall’anodo di litio: un problema che può anche portare al cortocircuito delle batterie e ne accorcia la durata (a volte questi accumulatori “resistono” soltanto a 50 cicli).
Una scoperta di un’equipe di ingegneri della Monash University di Melbourne, in Australia, potrebbe ovviare a questa criticità, prolungando il ciclo di vita delle batterie litio-zolfo e migliorandone l’efficienza. Gli esperti hanno messo a punto un nuovo rivestimento polimerico e nanoporoso da applicare sul litio, che proteggere l’elemento dal rapido decadimento cui va incontro.
Declan McNamara, ricercatore capo della Monash Engineering, ne ha spiegato il funzionamento: “Il polimero contiene minuscoli fori di dimensioni inferiori a un nanometro, che consentono agli ioni di litio di muoversi liberamente bloccando al contempo altre sostanze chimiche che potrebbero attaccarsi ad esso”.
Il litio metallico utilizzato nelle batterie viene descritto dagli esperti come “un’arma a doppio taglio”, perché – a fronte di una importante capacità energetica – c’è un elevato rischio che il suo potenziale venga sprecato in reazioni collaterali, sulle quali si sta cercando di intervenire.
Nel loro articolo pubblicato su Advanced Sustainable Systems (link in basso), i ricercatori hanno affermato che l’anodo rivestito dal polimero ha mostrato una migliore ritenzione della capacità su 275 cicli, aggiungendo che il nuovo design riduce la quantità di litio richiesta in una singola batteria.
Il risultato è un accumulatore che utilizza meno litio, fornisce maggiore energia specifica (si parla di circa 550 Wh/kg mentre le batterie a ioni di litio raramente superano i 260 Wh/kg), ha una durata di vita maggiore e – secondo le stime – costa la metà rispetto alle batterie agli ioni di litio.
Sono anni che alla Monash University si lavora sull’efficientamento delle batterie Li-S: nel 2020 i ricercatori dell’istituto australiano avevano annunciato di aver sviluppato l’accumulatore litio-zolfo più efficiente al mondo, capace con una sola carica di alimentare uno smartphone per cinque giorni o – in proporzione – un veicolo elettrico per più di 1.000 km.
L’accumulatore si basava sull’idea di passare dal tradizionale meccanismo di collegamento in rete, dove il legante polimerico fra particelle forma una fitta trama diffusa in tutto l’elettrodo, a un meccanismo a ponte in cui il legante collega solo una frazione della superficie di una particella, per legarla ad un’altra particella vicina nel corso delle reazioni di carica e scarica.
Sebbene le batterie Li-S siano altamente efficienti, il processo di ricerca, estrazione e trasporto del litio ha un impatto ambientale non trascurabile. Per questo motivo, efficientare questi accumulatori è un passo fondamentale nella transizione energetica. Il nuovo design studiato dai ricercatori della Monash University non richiede peraltro nichel o cobalto, eliminando la necessità di ulteriori minerali.
Un altro membro del team della Monash University, il professor Matthew Hill, ha spiegato gli impatti immediati che la scoperta potrebbe avere: “Il mercato dei veicoli elettrici, dei droni e dei dispositivi elettronici è in forte crescita e questa ricerca è commercialmente pronta per la produzione per supportare questo trend”.
Il seguente documento è riservato agli abbonati a QualEnergia.it PRO:
Prova gratis il servizio per 10 giorni o abbonati subito a QualEnergia.it PRO
