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Nuove batterie, ecco cosa ci lascia il 2020

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Gli operatori del centro di ricerca sulle batterie Volkswagen di Salzgitter.

Parlando di nuove batterie per autotrazione, il 2020 sarà ricordato per il lancio della rivoluzionaria cella 4680 di Tesla, ora, pare, prodotta anche da Panasonic. In secondo luogo per i progressi compiuti sulle batterie a stato solido da Quantum Scape e da Toyota. Quest’ultima potrebbe adottarne una per il suo primo modello elettrico già dal prossimo anno (leggi).
Ma a livello di ricerca, la progettazione e la chimica delle batterie hanno fatto molti progressi quest’anno, aprendo la strada a miglioramenti significativi, o addirittura a rivoluzioni vere e prorpie, già nei prossimi anni. Parliamo di elettrodi più veloci, nuovi materiali più performanti, parti realizzate con scorie nucleari, prevenzione degli incendi con l’aiuto delle onde sonore. Fantasia e creatività non sono mancate agli scienziati che già immaginano le batterie di nuova generazione. Vediamo di ricapitolarne alcune.

Un colpo di acceleratore sul litio metallico

Quando si tratta di potenziare le batterie introducendo nuovi materiali, il pensiero corre subito al litio metallico. Descritto da alcuni come un “materiale da sogno”, l’utilizzo di litio-metallo come anodo al posto della grafite e del rame potrebbe aumentare significativamente la densità delle batterie odierne, consentendo loro di funzionare molto più a lungo e di contenere molta più energia.

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Min-Kyu Song della Washington State University

Il problema è la sicurezza. Quando la batteria viene caricata, infatti, tendono a formarsi concrezioni sull’anodo comunemente note come dendriti, possibili cause di cortocircuiti. Per questo la soluzione litio-metallo ha il limite principale nella bevissima durata. Per risolvere questo problema, nel 2020 il professor Min-Kyu Song, scienziato della Washington State University, ha previsto l’aggiunta di alcune sostanze chimiche chiave alla soluzione catodica ed elettrolitica. Ciò porta alla formazione di uno strato protettivo sulla superficie dell’anodo metallico di litio, che permette di garantirne la stabilità per 500 cicli. Il che è già un punto di partenza interessante, considerando che le attuali batterie agli ioni di litio viaggiano nell’ordine dei 1.500 cicli. Inoltre, questo processo potrebbe integrarsi facilmente con le procedure di produzione esistenti.

Batterie a stato solido, senza dendriti

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La batteria a stato solido di Quantum Scape

Lo stesso problema delle dendriti per le batterie litio-metallo può essere affrontato anche con un elettrolita allo stato solido. E’ la soluzione adottata dal produttore californiano Quantum Scape che in dicembre ha diffuso dati sulle prestazioni delle sue nuove batterie a stato solido per i veicoli elettrici. L’azienda sostiene che, grazie all’uso di un elettrolita solido piuttosto che liquido, e un anodo in metallo di litio, evita dendriti pur consentendo una carica da 0 a 80% in soli 15 minuti. Il risultato è una batteria con un’eccellente densità di energia, circa quattro volte quella delle batterie al litio. Pari a 1 kWh per litro in termini volumetrici e tra 380 e 500 Wh per kg contro i 260 Wh per kg dei pacchi batteria Tesla. Le nuove batterie inoltre mantengono l’80% della capacità dopo 800 cicli.

Litio-metallo più stabile con gli ultrasuoni

Sempre nell’ambito della prevenzione delle dendriti nelle nuove batterie litio-metallo una soluzione piutosto fantasiosa viene da un gruppo di ricercatori dell’Università della California a San Diego. Il team ha costruito un dispositivo a ultrasuoni e lo ha incorporato in una batteria al litio-metallo. Il dispositivo invia onde sonore ad alta frequenza attraverso l’elettrolita liquido per farlo fluire dolcemente piuttosto che rimanere statico.

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Ping Liu, a destra

Ciò ha avuto l’effetto di creare una distribuzione ordinata e uniforme del litio sull’anodo piuttosto che i grumi irregolari che di solito si formano e portano alla crescita dendritica. Durante i test, questa batteria dotata di ultrasuoni è stata caricata dallo zero al 100% in soli 10 minuti e si è dimostrata stabile per 250 cicli di ricarica.

«Questo lavoro consente la ricarica rapida a batterie ad alta energia tutto in uno», afferma Ping Liu, professore di nanoingegneria e autore senior dello studio.

Il dispositivo a ultrasuoni potrebbe essere facilmente adattato anche ad altri tipi di batterie. Testato in una batteria agli ioni di litio, ha aumentato la resistenza della batteria fino a 2.000 cicli.

Nanotubi di carbonio per imbrigliare il litio

Gli scienziati della Texas A&M University hanno incorporato nell’anodo litio-metallo  minuscoli scaffold di nanotubi di carbonio come anodo. Questi sono intrecciati con molecole che fanno sì che gli ioni di litio si leghino alla superficie, evitando la formazione di dendriti sulla superficie.

Mentre questo design ha soddisfatto le aspettative in termini di sicurezza, questa architettura della batteria si è anche dimostrata in grado di produrre correnti più elevate. Infatti, il team sostiene che il dispositivo potrebbe gestire correnti cinque volte superiori a quelle delle batterie convenzionali, aumentando la prospettiva di una batteria che possa essere caricata in una frazione del tempo.

Se il silicio fa il pieno di ioni di litio

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Le celle delle batterie al litio di LG Chem, al momenti primo costruttore al mondo.

Restando alla tecnologia tradizionale degli ioni di litio, si apre la concreta possibilità di utilizzare il silicio al posto della graffite e del rame. Il silicio ha la capacità di immagazzinare quattro volte più ioni litio. Purtroppo però, la capacità tende a degadare molto rapidamente. Una soluzione viene proposta dagli scienziati del Korea Institute of Science and Technology. Hanno sperimentato una tecnica chiamata pre-caricamento del litio che permette di migliorare la longevità del dispositivo.

L’anodo in silicio viene immerso in una soluzione che fa penetrare elettroni e ioni di litio nell’elettrodo, per compensare le perdite che si verificano durante il ciclo. Questo nuovo anodo ha perso meno dell’1% durante la carica iniziale, contro il 20% circa degli altri anodi in silicio. Mentre conserva una densità di energia superiore del 25% rispetto agli anodi già presenti sul mercato. Il sistema aumenterebbe di circa 100 km l’autonomia delle normali batterie agli ioni di litio e avrebbe il vantaggio di poter essere immediatamente introdotto nel ciclo industriale.

PET, microonde e sale per le nuove celle

Un’altra chimica della batteria con un grande potenziale, ma per ragioni molto diverse, è quella agli ioni di sodio. Il litio è relativamente raro e l’estrazione può essere costosa. Il sale, d’altra parte, è ovunque e questa abbondanza potrebbe tradursi in batterie molto più economiche per applicazioni su larga scala. Un altro componente chiave di queste batterie potrebbe venire da un materiale altrettanto abbondante, come la plastica PET.

Gli scienziati dell’americana Purdue University sono riusciti a ridurre il PET in fiocchi, che sono stati poi trattati con irradiazione ultraveloce a microonde per trasformarli in qualcosa noto come disodio tereftalato. Questa molecola può essere un potenziale materiale anodico grazie alle sue eccellenti prestazioni elettrochimiche. Gli scienziati l’hanno utilizzata per creare una cella agli ioni di sodio.

Batterie a flusso redox con la chitina

Un altro progetto di batteria alternativo che i ricercatori sperano possa arrivare a offrire soluzioni di stoccaggio su scala di rete per l’energia rinnovabile è la batteria a flusso redox. Invece di immagazzinare energia all’interno della batteria stessa, questi dispositivi mantengono la loro energia in elettroliti liquidi in enormi serbatoi esterni, il che significa che il potenziale di stoccaggio può essere semplicemente aumentato aumentando le dimensioni dei serbatoi. Una sostanza chimica positiva e una sostanza chimica negativa vengono immagazzinate in serbatoi separati.

Le sostanze chimiche vengono pompate dentro e fuori da una camera dove scambiano ioni attraverso una membrana, fluendo per caricarsi o per scaricare. Tali sistemi hanno utilizzato in passato vanadio e bromo costosi, pericolosi e tossici disciolti in acido per i loro elettroliti. Ma un team di ricerca del MIT ha utilizzato la chitina, un polisaccaride simile alla cellulosa che si trova nei gusci dei gamberetti. In combinazione con il feltro ha prodotto  elettroliti per una batteria a flusso redox, con una densità di potenza superiore, naturale e a basso costo.

 Un tocco di grafene per la robustezza

Tonando alle nuove batterie a stato solido, un’altra innovazione viene dalla Brown University. Un team di ricercatori avrebbe trovato una soluzione contro il degrado prematuro grazie al grafene. L’hanno aggiunto in piccole quantità a materiali ceramici per formare un elettrolita solido che promettere di essere il più resistente mai realizzato.

Il grafene ha la controndicazione di essere altamente conduttivo dell’elettricità, non degli ioni. Ma mantenendone una  concentrazione abbastanza bassa, rafforza l’elettrolita solido pur senza condurre l’elettricità.

Gli elettrodi più veloci al mondo

Una soluzione per aumentare la velocità nelle operazioni di ricarica l’ha trovata il produttore di ultracondensatori Nawa Technologies.  Utilizza nanotubi di carbonio  per indirizzare il flusso di ioni attraverso gli elettrodi. Tutte le batterie contengono un paio di elettrodi, il catodo e l’anodo, attraverso i quali scorre la corrente elettrica. Ma queste sono strutture tipicamente disordinate che richiedono agli ioni di navigare in un labirinto aggrovigliato, sia in entrata che in uscita. Nawa ha introdotto una sorta di “binari” che accorciano e velocizzano il loro viaggio.

I vantaggi sono tutti su quanto lontano uno ione deve portare la sua carica; a sinistra, una rappresentazione di una tipica struttura caotica di elettrodi attraverso la quale uno ione deve percorrere distanze lunghe e tortuose. A destra, la struttura rigida di una struttura di nanotubi di carbonio allineata verticalmente, che collega ogni minuscolo blob di materiale attivo e gli ioni all'interno direttamente al collettore di corrente

L’elettrodo è costituito da una struttura allineata verticalmente simile a quella di una spazzola per capelli, con cento miliardi di nanotubi di carbonio altamente conduttivi . Secondo l’azienda qesti elettrodi potrebbero aumentare i tassi di carica e scarica di una batteria di dieci volte, possibilmente consentendo una carica dallo 0 all’80% in soli cinque minuti. La densità energetica, nel frattempo, potrebbe migliorare di un fattore o due o tre. Qusta tecnologia potrebbe arrivare sul mercato già nel 2022. E sarebbe espressamente sviluppata per le nuove batterie auto.

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6 COMMENTI

  1. Bell’articolo! Citerei anche la batteria a metallo liquido del professor Sadoway, in sviluppo da Ambri. Pare che abbiano naturalmente costi alti di produzione al momento, essendo allinizio, ma hanno un ordine importante. Se riescono a far scendere questo costo con l’economie di scala, hanno un’ottima soluzione per l’accumulo stazionario.

  2. Cmq ricordate che parlare di tempi di ricarica senza menzionare la “potenza” di ricarica, é inutile. Ovvio che se fai passare 5kwh in una batteria ci metti una vita rispetto a farci passare 600kwh.

    • Essendo prototipi, i test presumibilmente vengono condotti su una singola cella ed i tempi sono quelli. Se poi affianchi 100 celle per costruire una batteria, dovrai fornire 100 volte la potenza ma i tempi sono quelli (tralasciando in prima battuta problemi di smaltimento del calore).

  3. Ottimo articolo ricapitolativo (aspettando con ansia il restyling del sito in senso smartphone-friendly).

    Conoscevo già gli sviluppi di Nawa technologies, se non erro azienda francese. Mi sembra fra gli sviluppi più promettenti.

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