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Batterie litio-zolfo: a un passo dai 1.000 km di autonomia?

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batterie litio-zolfo

Ricercatori della Monash University sostengono di aver sviluppato le batterie litio-zolfo (LI-S) più efficienti al mondo. Sono in grado di alimentare uno smartphone per cinque giorni consecutivi con una sola ricarica. Le celle prototipo sono state sviluppate in Germania. Lo studio è stato pubblicato su Science Advances sabato 4 gennaio 2020.  Ulteriori test su auto e reti solari si svolgeranno in Australia nel 2020. I ricercatori hanno depositato un brevetto sul processo di fabbricazione che potrebbe rivoluzionare la tecnologia delle prossime batterie al litio.

Tanta energia in più, ma con vita breve

Le batterie litio-zolfo hanno un grande potenziale energetico: fino  cinque volte più delle tradizionali agli litio-ioni. Questo lo si sa da tempo. Non si sono mai diffuse, però, perché fino ad oggi manifestavano una durata di vita molto più breve. Pochi cicli di ricarica bastavano a deteriorarle significativamente.  Il team internazionale di scienziati della Monash University ritiene però di aver superato questo ostacolo. Adottano infatti un nuovo tipo di architettura di incollaggio che consente già trecento cicli di ricarica.

Il problema principale delle batterie litio-zolfo dipende paradossalmente proprio dalla loro straordinaria capacità di stoccaggio di energia.  Il passaggio degli elettroni di zolfo stressa irrimediabilmente l’elettrodo, dove i vari componenti finiscono per frantumarsi. La conseguente interruzione di questa connessione provoca un rapido deterioramento delle prestazioni della batteria.

L’idea di Monash? Spazio alla zolfo per “respirare”

Alla rivista New Atlas Mahdokht Shaibani del Dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale della Monash University, autore principale dello studio, ha spiegato che  il suo team ha studiato nuove soluzioni di incollaggio. Piuttosto che usare il materiale legante per formare una fitta rete con poco spazio libero, ha cercato il modo di «dare alle particelle di zolfo un po ‘di spazio per respirare!»

La nuova batteria si basa su un agente legante tradizionale, ma elaborata in modo diverso per formare legami ponte ultra-forti tra la matrice di carbonio e le particelle di zolfo. Ciò  consente di lasciare uno spazio aggiuntivo man mano che la batteria si espande durante la carica. Questi legami possono essere visti nella figura in basso.

Gli scienziati hanno usato un nuovo tipo di legame per tenere insieme i componenti chiave delle batterie al litio-zolfo durante la carica

«In altre parole _ ha aggiunto _ ho creato un legame simile a una rete in cui è presente solo una quantità minima di legante tra le particelle vicine, lasciando maggiore spazio per accogliere i cambiamenti nella struttura e lo stress risultante». Nel test su oltre 200 cicli, la batteria ha mostrato un’efficienza di carica/scarica di oltre il 99 percento  «che per quanto a nostra conoscenza non ha precedenti per elettrodi di elevata capacità», afferma Shaibani.

Mattews Hill, Mahdokht Shaaibani e Mainak Majumder, il team della Monash University che ha sviluppato le nuove batterie litio-zolfo

Questa batteria potrebbe alimentare uno smartphone per cinque giorni consecutivi. O consentire a un veicolo elettrico di percorrere più di 1.000 km, a parità di dimensioni e peso rispetto a una batteria al litio-ioni. Il procedimento è già stato brevettato (PCT / AU 2019/051239) e le prime celle sono state fabbricate dai partner tedeschi del Fraunhofer Institute.  Ora altri test saranno condotti in Australia, sia su auto elettriche sia per lo stoccaggio di energia solare. «Questo approccio è anche semplice ed estremamente economico, utilizzando processi a base acquosa, e può portare a riduzioni significative dei rifiuti pericolosi per l’ambiente», afferma il coautore dello studio Matthew Collina.

In Australia via ai test sulle auto elettriche

Alcuni dei maggiori produttori mondiali di batterie al litio in Cina e in Europa hanno espresso interesse per l’ampliamento della produzione. «La fabbricazione e l’implementazione delle batterie Li-S nelle auto conquisterà una parte significativa di un mercato valutato 213 miliardi di dollari» ha detto il professor Majumder. Il team di ricerca ha ricevuto finanziamenti per oltre 2,5 milioni di dollari da governi e partner internazionali del settore che verranno utilizzati per svolgere i nuovi test applicativi previsti per quest’anno.

Prestazioni allettanti, costi di produzione inferiori, abbondante fornitura di materiale, facilità di elaborazione e ridotto impatto ambientale rendono questo nuovo design della batteria attraente per le applicazioni del mondo reale, secondo Matthew Hill, professore associato e membro del team della Monash University. «Questo approccio non solo favorisce metriche ad alte prestazioni e lunga durata, ma è anche semplice ed estremamente economico da produrre, utilizzando processi a base acquosa, e può portare a riduzioni significative dei rifiuti pericolosi per l’ambiente», ha affermato.

Oxis Energy va volare le celle litio-zolfo

Quella di Monash University non è l’unica ricerca applicata sulle batterie litio-zolfo. Ad  Abingdon-on-Thames, nell” Oxfordshire sta lavorando Oxis Energy, società che sviluppa celle e batterie litio-zolfo per aeronautica. L’azienda inglese è oggi pronta a portare i suoi dispositivi ad alta quota: è di questi giorni infatti l’avvio di programma di collaborazione con la statunitense Bye Aerospace, per testare le batterie litio-zolfo su nuovi aerei elettrici.

Secondo quanto scrive l’azienda inglese i meccanismi chiave sono due: uno strato di passivazione in ceramica al litio solfuro e un elettrolita non infiammabile. Così  «le nostre celle  possono resistere a situazioni di stress estremo con una durata fino a 500 cicli di ricarica e densità energetica teorica di 2.700 Wh per kg, 5 volte superiore a quella agli ioni di litio».

Questa tecnologia è già stata applicata in volo, a bordo dell’aereo solare sperimentale Zephyr-6 a pilotaggio remoto che nel 2008 volò ininterrottamente per tre giorni. Undici anni dopo, i tempi sembrano maturi per industrializzare il prodotto e «consacrare definitivamente il matrimonio tra batterie litio-zolfo e aerei elettrici».  Oxis ha anche annunciato di aver avviato la costruzione del primo impianto di produzione degli elettroliti e del materiale catodico specifico per la fabbricazione in serie di queste celle.

Lo Zephyr 6 al decollo

Un nuovo elettrolita che non “mangia” lo zolfo

Oxis avrebbe risolto il problema dei ridotti cicli di ricarica delle batterie litio-zolfo con un nuovo elettrolita che inibisce la riduzione dello zolfo causata dai polisolfuri di litio, solubili negli elettroliti fin qui utilizzati. 

A tutt’oggi la società inglese afferma di aver così raggiunto una densità energetica di 500 Wh/kg, e 250 cicli di carica. Ma è convinta di poter arrivare a 500 cicli entro un paio d’anni. Queste prestazioni, secondo la Bye saranno in grado di migliorare i tempi di volo dei suoi futuri aerei elettrici anche del 100%. “Riteniamo che questa sia la prima fase dell’elettrificazione degli aeromobili commerciali – ha affermato Huw Hampson-Jones, ad di Oxis – e alla fine costituirà la base per l’elettrificazione dei taxi aerei e degli aeromobili regionali”.

Enea studia l’anodo a nanoparticelle carboniose

Anche l’italiana Enea ha avviato una nuova linea di ricerca che punta a rendere le batterie litio-zolfo (Li-s) un prodotto competitivo per costi e prestazioni rispetto a quelle litio-ioni. L’obiettivo è anche qui superare la criticità della ridotta vita ciclica. Secondo i ricercatori dell’Enea la soluzione potrebbe essere l’utilizzo all’anodo di nanoparticelle di materiale carbonioso. Per via della loro elevata area superficiale, queste particelle riescono a intrappolare i polisolfuri di litio impedendo che si disciolgano nell’elettrolita.

«Nei nostri laboratori sintetizzeremo nanomateriali a base carboniosa adatti a essere utilizzati nelle batterie litio-zolfo. Studieremo soluzioni elettrolitiche capaci di trasportare efficacemente ioni di litio e investigheremo l’interazione tra gli elettrodi (anodo e catodo) e l’elettrolita e il comportamento delle celle litio-zolfo complete. In questo modo riusciremo a raggiungere la piena comprensione dei fattori che determinano la chimica di queste batterie innovative», afferma l’esperto ENEA di accumulo elettrochimico Pier Paolo Prosini.

Energia nominale fino a 1.000 Wh per kg

Per la fase finale del progetto i ricercatori produrranno e testeranno batterie complete (con energia nominale fino a 1.000 Wh), utilizzando attrezzature in grado di assicurare la riproducibilità del prodotto completo.

Il vecchio Vinavil tiene legato lo zolfo

Questa nuova linea di ricerca segue un recente brevetto ENEA sulle batterie litio-zolfo che utilizza come legante idrosolubile (acquoso) la vecchia colla Vinavil. L’uso di questo legante elimina negli elettrodi solventi organici volatili (i cosiddetti VOC), composti potenzialmente pericolosi per la salute umana e per l’ambiente.

La seconda innovazione è legata al fatto che lo zolfo è introdotto all’interno della batteria in forma liquida: questo permette di avere un’elevata disponibilità dello zolfo.

Oltre alle auto elettriche, le batterie Litio-zolfo potrebbero rivoluzionare molti altri dispositivi: l’accumulo di energia da fonti rinnovabili, smartphone, tablet e computer. Ma soprattutto l’aviazione, dove droni e aerei elettrici richiedono batterie sempre più potenti, a lunga durata, grandi capacità di stoccaggio e peso ridotto.

Batterie più sostenibili e meglio riciclabili

livello ambientale, i nuovi accumulatori sono più sostenibili e con ridotte emissioni di gas serra in fase di produzione. Non contengono né materie critiche né metalli pesanti e questo rende più semplice lo smaltimento.

LEGGI ANCHE: Batterie litio-ioni, quel che c’è da sapere e abbiamo già scritto

 

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8 COMMENTI

  1. Non dimentichiamo che oltre a questa ricerca prosegue quella che vede protagonista il grafene.

    Proprio al CES Mercedes Benz ha presentato la show car Vision AVTR con le agognate batterie al grafene, per la bellezza di 110 kWh che consentiranno di percorrere 700 km.

    Praticamente l’elettrica con batterie litio e cobalto free, riciclabili al 100% senza il problema dello smaltimento degli accumulatori.

    Quanto è vicina a noi questa tecnologia?

  2. Queste notizie mi confermano ancora una volta che la differenza sostanziale tra un’auto termica e una elettrica è la sconfinata possibilità di migliorare da parte di quest’ultima contro un vicolo cieco tecnologico della prima.

    • Ragionamento che non fa una grinza…ovvio che una tecnologia nuova necessiti di tempo per maturare ed essere appetibile ed accessibile e pertanto ci sarà da lavorarci sopra.lo stesso dicasi decine di anni fa con il motore endotermico che nacque con meno di un cavallo e poi si è evoluto. Ora è arrivato al suo culmine e lo stesso succederà con l’elettrica…

  3. Molto incoraggiante bisognerebbe continuare avanti tutta. A guardare i numeri sembrerebbe quasi già viabile.
    Una tecnologia da cui le batterie potrebbero prendere spunto é quella delle memorie Flash (SSD). Anche quelle di degradano nel tempo ma la cosa si affronta normalmente con ‘over provisioning’ appropriato. Non credo il mercato accetterà questa soluzione ma se davvero possiamo con un grosso abbattimento dei costi bisognerebbe considerarla.

  4. Mi piace immaginare che le evoluzioni nella tecnologia delle batterie e quindi l’aumento della densità energetica consentano non solo di poter progettare berline con autonomie estese, ma anche auto medie e piccole con pesi e ingombri ridotti e consumi ulteriormente ottimizzati. Molto bene! 🙂

  5. 300 cicli? Ovvero? 300 ricariche?
    Mi si spieghi per favore.

    Perché se la batteria può davvero fare 1000 kilometri con 1 ricarica e può “vivere” per 300 ricariche anche se faccio 1000 kilometri a settimana la batteria dura a sufficienza prima di essere da buttare.

    300 ricariche 1 volta a settimana considerato che in un anno ci sono circa 52 settimane = 5 e più anni di vita.

    Io ci starei a cambiare solo la batteria dopo 5 anni.

    • Non dimentichiamo mai che fra una realizzazione prototipale e un prodotto commerciale c’è di mezzo il mare. In altre parole non è detto che prestazioni “teoriche” si traducano in prestazioni reali. E comunque non in tempi bevi.

  6. 300 cicli davvero pochi, attualmente la batteria più longeva è litio titanato 7000 cicli, che però un voltaggio di 2,4 v contro 3,7 della lion on o 3,2v della Lifepo4

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