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Dall’IBM al MIT, parte la grande corsa alla batteria 4.0

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Qualcosa, anzi molto, sembra muoversi sulla frontiera della batteria 4.0. Stando agli annunci arrivati da tutte le parti del globo nel 2019, infatti, potremmo essere vicini alla svolta, Batterie più capaci, più efficienti, più economiche e più sostenibili. L’ultimo è arrivato due giorni fa dal quartier generale di IBM

L’acqua di mare al posto di Cobalto e Nickel

Il colosso americano sta sviluppando una chimica che fa a meno del Cobalto, cioè del metallo raro più critico, l’unico tra quelli utilizzati nelle batterie litio-ioni che non può essere riciclato. Nella soluzione IBM scompare completamente dal catodo, così come il Nikel. Viene sostituito da materie prime ricavate dall’acqua di mare

 

Il primo prototipo IBM “entro un anno”

Anche l’elettrolita sarebbe sostituito da un liquido più sicuro, meno infiammabile e con maggiore resistenza al calore. E capace di scongiurare la formazioni di dendriti del litio metallico responsabili di cortocircuiti nelle celle. «L’obiettivo sarà quello di avere il primo prototipo più o meno entro un anno», ha detto a Reuters Jeff Welser, vicepresidente di IBM Research. La nuova batteria 4.0 di IBM avrebbe infine prestazioni migliori di quelle tradizionali al litio e risulterebbe molto meno costosa e più veloce da ricaricare. Pur in mancanza di dettagli sulla nuova tecnologia, l’autorevolezza della fonte autorizza l’ottimismo. Nel progetto di sviluppo, tra l’altro, sarebbero già coinvolte Mercedes-Benz Research and Development North America, Central Glass, fornitore di elettroliti per batterie, e il produttore di batterie Sidus.

La batteria 4.0? Darà il meglio a 60 gradi 

Altre promettenti soluzioni per batterie 4.0 erano state annunciate pochi mesi prima. In ottobre, per esempio, un team della PennState University, aveva realizzato celle al litio in grado di accettare una ricarica alla potenza di 400 kW. Questo perché si preriscaldano fino alla temperatura ottimale per velocizzare la ricarica.  Si sa che con le celle a 60 gradi già prima di iniziare le carica i tempi si riducono di più della metà. I ricercatori americani sono riusciti a risolvere il problema del preriscaldamento inserendo pellicole di nickel al polo negativo che reagiscono velocemente al passaggio degli elettroni. Riscaldandosi velocemente, ma raffreddandosi altrettanto velocemente all’interrompersi del flusso. Questo tipo di architettura consentirebbe alle batterie di un’auto elettrica di assorbire in soli 10 minuti l’energia necessaria a percorrere fra 320 e 480 km, mantenendo la massima efficienza per 1.700 cicli di ricarica.

Lo “stato solido” avanza a passo di carica

Il mese precedente, questa volta in Australia, i ricercatori dell’ Institute for Frontier Materials della Deakin University erano riusciti a realizzare batterie allo stato solidoUtilizzano come elettrolita polimeri commerciali, facilmente reperibili a basso costo. Eliminando dalle celle liquidi instabili e infiammabili gli scienziati australiani hanno potuto usare litio metallico all’anodo, ottenendo una densità energetica doppia rispetto alle batterie attuali.

Una fase della produzione delle celle Ter 3.0

Anche la start up californianaTeraWatt Technlogy , ha  annunciato di aver realizzato il prototipo di una nuova cella batteria a stato solido capace di aumentare di oltre il 50% le prestazioni rispetto a quelle agli ioni di litio con elettrolita liquido (Leggi). Le nuove celle sono state battezzate Tera 3.0 e saranno disponibili per l’industria automobilistica dal 2021. Testate dal laboratorio indipendente giapponese Tokio System, le nuove celle, in formato piatto anziché cilindrico, hanno raggiunto una densità energetica di 432 Wh per chilo e 1122 Wh per litro. Insomma, più potenza in minor spazio e minor peso (Leggi).

Intelligenza artificiale per la ricarica super veloce

Miglioramenti eclatanti possono essere ottenuti anche ottimizzando le batterie litio-ioni esistenti. L’ha dimostrato al Ces di Las Vegas dello scorso anno una piccola start up canadese, GBatteries ricaricando al 100% una batteria da 60 kWh della nuova Nissan Leaf in soli dieci minuti. La chiave dell’ innovazione è il programma di gestione e controllo dei pacchi batteria. Il team canadese ha scoperto che modulando i flussi di energia in base alle condizioni di ogni singola cella è possibile aumentare la potenza della ricarica senza danneggiare la batteria (Leggi).

Sette volte più potente con la CO2 “nel motore”

Un salto tecnologico radicale verso la batterie 4.0 potrebbe arrivare invece dalla soluzione ipotizzata in settembre dai ricercatori dell’Università dell’Illinois, a Chicago che hanno testato una batteria al litio e biossido di carbonio ricaricabile Le  batterie litio-CO2 sono sistemi di accumulo che hanno sempre destato grande interesse per la loro elevata densità specifica di energia, superiore anche di 7 volte rispetto a quella delle tradizionali batterie agli ioni di litio. Ma non si era ancora trovato il modo di ricaricarle. Infatti, quando una batteria litio-anidride carbonica si scarica, produce carbonato di litio e carbonio. Se il primo si ricicla durante la fase di ricarica, il secondo, invece, si accumula sul catalizzatore danneggiando il sistema. Il team dell’Illinois è riuscito a realizzare un prototipo in grado di eseguire fino a 500 cicli consecutivi di carica/scarica.  La chimica della nuova batteria prevede l’utilizzo di disolfuro di molibdeno come catalizzatore catodico,  combinato con un elettrolita ibrido. Si ottiene così un unico composito (multicomponente) in grado di includere anche il carbonio nel processo di riciclo.

La batteria 4.0 non inquina e pulisce l’atmosfera

Amin Salehi-Khojin, professore associato di Ingegneria meccanica e industriale della UIC (University of Illinois at Chicago) ha spiegato che la combinazione «consentirà l’utilizzo in sistemi avanzati di accumulo di energia». I risultati dello studio, pubblicati sulla rivista Advanced Materials, aprono interessanti scenari non solo per la mobilità elettrica, ma anche per la cattura e l’utilizzo nell’accumulo di energia del principale gas clima alterante. L’auto elettrica con batterie litio biossido di carbonio, insomma, oltre a ridurre le emissioni di CO2, contribuirebbe perfino a recuperare quelle pregresse, riducendone la concentrazione in atmosfera.

Dal MIT di Boston la macchina acchiappa CO2

Ma come si cattura la CO2 in atmosfera? Il MIT di Boston ha annunciato in ottobre di aver realizzato un sistema che seleziona e trattiene le molecole di CO2 in una pila con elettrodi rivestiti di polyanthraquinone. Con una serie di passaggi successivi il dispositivo concentra via via la CO2, fino a portarla allo stato puro. Nel contempo libera aria che ne è assolutamente priva. La CO2 così prodotta può essere stoccata iniettandola nel sottosuolo, oppure utilizzata in numerosi processi industriali. Per esempio nella produzione di batterie litio-biossido di carbonio. Il dispositivo sviluppato da MIT può sopportare 7 mila cicli di carica e scarica con una perdita di efficienza del 30%.

Dall’elettricità al calore e viceversa

Nello stoccaggio stazionario si battono anche strade radicalmente nuove. Abbiamo accennato al sistema a volani realizzato dall’israeliana  Chakratec con il suo Kinetic Power Boosterd (Leggi). Ora arriva la batteria a calore. Il sistema si chiama Thermal Energy Device (TED) ed è stato messo a punto in aprile dalla società australiana Climate Change Technologies (CCT). Accumula l’energia sotto forma di calore, utilizzando silicio fuso (a 1.400 gradi centigradi) racchiuso in celle modulari termicamente isolate. Il dispositivo utilizza l’elettricità per riscaldare un materiale a cambiamento di fase o PMC a base di silicio in una camera isolata. Il PMC funziona come un accumulatore di calore latente, che sfrutta il fenomeno della transizione di fase per assorbire il flusso energetico in entrata, immagazzinandolo e mantenendo costante la propria temperatura.  TED impiegherebbe poi un motore termico per estrarre  l’ energia  quando richiesta. Secondo il team che l’ha realizzato TED potrebbe stoccare 1,2 MWh di energia in circa 6 metri cubi di spazio e avrebbe il vantaggio di cicli di ricarica illimitati (almeno 20 anni). Il silicio infatti non si degrada con il calore ed è riciclabile. Ciò permetterebbe un risparmio dal 60 all’80% rispetto alle batterie a ioni di litio.

Anche lo stoccaggio stazionario con batterie litio-ioni mette a segno un successo con l’accordo per ampliare il sito più grande al mondo,  l’Hornsdale Power Reserve in Australia del Sud. Fu realizzato da Tesla nel 2017. Ha una capacità di 129 MWh, che sarà incementata del 50% con l’aggiunta di nuovi moduli per 64,5 MWh aggiuntivi. L’ampliamento sarà ultimato per metà 2020.

Nei prossimi mesi sapremo se almeno una di queste soluzioni diventerà la batteria 4.0 in grado di risolvere il problema dell’accumulo elettrico, nodo cruciale della mobilità elettrica e, più in generale, della sostenibilità energetica.

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7 COMMENTI

  1. Sono almeno 15 anni che leggo ogni news sui progressi delle batterie in attesa del miracolo che ancora non si vede. Ho letto innumerevoli articoli come questo e quelli elencati sopra, però il sorpasso dell’auto elettrica sulla termica in termini di praticità è ancora da venire.
    La paura è che la batteria killer, quella del sorpasso, possa essere affossata nel suo sviluppo per la concorrenza di altre tecnologie concorrenti. Cioè, mi sembrano troppi i programmi di ricerca paralleli su tecnologie diverse e la competizione potrebbe risolversi non per la migliore soluzione tecnologica ma per le differenze di capacità dei vari gruppi e dei capitali retrostanti.

  2. Si sta progettando, un nuovo ed apocalittico disastro ambientale per tutta la terra.
    Possibile che, continuate a credere a tutte le stronzate che vi raccontano?
    Come mai, rifiutano di montare sulle tutti gli automezzi di trasporto.
    Ivi compreso Navale, Treni, Aerei.
    delle semplicissime Turbine che funzionano di continuo. Andando ad evitare le continue ricariche?
    Come, e da dove produrranno tutta questa Energia Elettrica?
    Vi faranno semplicemente credere. Dalle energie rinnovabili.
    Se a voi sta bene cosi. Cosi Sia

    • Oggi produrre energia elettrica dal termoelettrico bruciando gas metano o biogas dai di gestori dei rifiuti con una turbina a gas che ha un rendimento energetico reale pari al 63% comporta già una riduzione delle emissioni di ossidi di azoto e di anidride carbonica rispetto a pari quantità energetica sotto forma di combustibili fossili liquidi bruciati da ogni vettura con motori a combustione, anche considerando la perdita di energia delle linee di trasmissione ad alta tensione.

      Produrre energia elettrica attraverso generatori Diesel, bruciando anche oli vegetali, è oggi anacronistico è inutile considerati i rendimenti termodinamici e le emissioni.

      A Genova, Ansaldo Energia produce la turbina GT36-S5, famosa come “Monte Bianco”, ai massimi livelli di potenza ed efficienza in Europa per la produzione di energia elettrica dal gas.
      Oggi è più efficiente bruciare gas metano con una turbina a gas ad alta efficienza come la “Monte Bianco” che ha un rendimento energetico reale pari al 63%, producendo energia elettrica con il termoelettrico, riducendo le emissioni di ossidi di azoto e di anidride carbonica, pur con la perdita di energia delle linee di trasmissione ad alta tensione.

      Tuttavia, le fonti rinnovabili devono far parte in massima misura nelle strategie energetiche in quanto sono una ricerca tecnologica molto promettente, appassionante e assolutamente da approfondire.

      Approfondiamo.

      https://www.ilsole24ore.com/art/viaggio–turbina-gas-piu-potente-d-europa–AEmGzx5D
      https://www.ansaldoenergia.com/PowerGenJuly2018/files/assets/common/downloads/publication.pdf

    • Caro Vito, non si contano più le volte che abbiamo pubblicato commenti come il suo. Provi almeno a spiegare le sue ragioni, se le ha.

  3. Le batterie di IBM Research sono molto promettenti in quanto derivano da quelle militari e strategiche dei ricercatori dell’Army Research Lab di Adelphi, nel Maryland, che hanno creato batterie più leggere con un’alta densità di energia che non usano elettroliti infiammabili e funzionano senza cobalto o nichel nella loro chimica.

    Queste batterie attualmente ad uso militare, non contengono metalli di transizione (cobalto e nichel) e solventi non acquosi.

    Siamo di fronte a una batteria agli ioni di litio acquosa, non infiammabile, che aumenta la tensione e utilizza catodi senza cobalto e senza nichel.

    Questa ricerca si deve a Chunsheng Wang del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e Dipartimento di Chimica e Biochimica dell’UMD, Kang Xu e Oleg Borodin.

    Saranno loro tre i prossimi premi Nobel per la Chimica?

    Ovviamente l’US Army vuole mantenere il primato strategico, mentre IBM Research quello commerciale.

    Si accorderanno?

    Difficile che l’US Army rinunci alle sue tecnologie se non ha trovato nulla di meglio.

    Se le vedremo a breve sulle vetture elettriche vuol dire che già c’è di meglio, molto meglio.

    Sitografia minima:

    https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-05/uarl-ado051019.php
    https://www.nature.com/articles/s41586-019-1175-6
    https://cleantechnica.com/2019/05/14/army-research-lab-water-based-battery-is-lighter-uses-no-cobalt-or-nickel/

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