Batterie al litio-ossigeno, per una durata 5 volte maggiore

L'aumento dell'efficienza delle batterie è uno dei settori di ricerca su cui Università e centri R&S stanno investendo di più, e quelle al litio-ossigeno potrebbero essere il futuro, con performance 5 volte superiori a quelle attuali.

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Daniele Vergara Daniele Vergara viene alla vita con un chip Intel 486 impiantato nel cervello, a mo' di coprocessore. E' più che entusiasta di tutto ciò che riguarda la tecnologia intera e i videogames, con un occhio di riguardo verso l'hardware PC e l'overclocking. D'inverno ama snowboardare, macinando km e km di piste. Lo trovate su Facebook, Twitter e Google+.

I componenti hardware all'interno degli smartphone diventano, di generazione in generazione, sempre più efficienti. Le aziende impegnate nella progettazione hanno oramai chiaro l'obiettivo del tenere bassi i consumi, scopo che ha guadagnato più attenzione che mai. Con tali requisiti bene in mente, l'unico pezzo del puzzle che non ha subito un vero balzo tecnologico è stata la composizione delle batterie. Appare lampante, a questo punto, che gli ioni di litio siano al capolinea e che debbano essere accantonati. E' per questo che Università, centri di ricerca e aziende stanno investendo sulla ricerca di qualcosa che possa realmente sostituire le vecchie batterie. Una delle accoppiate più in voga è composta da litio ed ossigeno, capace di immagazzinare, secondo alcuni test preliminari, circa cinque volte la carica dell'ormai vecchio standard.

Le batterie al litio-ossigeno: panoramica

Vista la sempre maggiore richiesta di autonomia negli smartphone, i produttori hanno cominciato ad introdurre al loro interno delle batterie fisicamente molto grosse. Anche le aziende di terze parti stanno spingendo molto per accumulatori di carica esterni e per i cosiddetti battery-case, cioè cover che, oltre a proteggere il dispositivo, forniscono una batteria extra al cellulare. Tali soluzioni non sono però definitive, in quanto non si va ad eliminare il rapido logoramento degli ioni di litio, che inevitabilmente porta alla degradazione della struttura chimica della batteria. Non necessariamente esse devono essere più grandi, facendo quindi crescere le dimensioni dispositivi; sarebbe invece più intelligente cercare una tecnologia nuova, che possa cambiare le carte in tavola. Come abbiamo detto, è proprio questo che gli addetti ai lavori stanno facendo, e le batterie composte da litio ed ossigeno potrebbero essere la risposta.
Una cella composta da litio ed ossigeno crea il voltaggio dalle molecole di ossigeno (O2) disponibili nell'elettrodo positivo. L'ossigeno reagisce con gli ioni di litio, positivamente caricati, per formare perossido di litio (Li2O2) e generare così energia elettrica. La batteria si scarica nel momento in cui non può essere più prodotto perossido di litio. Quest'ultimo è però un pessimo conduttore elettrico: se i depositi di Li2O2 finiscono sulla superficie degli elettrodi possono bloccare il passaggio degli elettroni, e quindi limitare la durata della batteria. L'intoppo è risolto se il perossido è conservato molto vicino agli elettrodi ma senza mai entrarvi in cotatto.

I primi sviluppi

L'University of Cambridge ha fatto venire a galla un metodo che fa esattamente ciò che abbiamo appena detto, aggiungendo al mix lo ioduro di litio (LiI). L'Università ha anche utilizzato dei particolari elettrodi composti da diversi, sottilissimi, strati di grafene con pori molto larghi. Tali accorgimenti aumentano parecchio l'efficacia della batteria al litio-ossigeno, poiché non si forma perossido di litio sugli elettrodi durante il processo di scarica. Il compromesso però riguarda i tempi di ricarica, a causa dell'assenza di materiale conduttivo a contatto con gli elettrodi. Le batterie al litio-ossigeno hanno però tipicamente bisogno di un voltaggio più basso per essere ricaricate, il che le rende molto efficienti. Studi hanno testimoniato che l'efficienza arriva circa al 90%, che le porta molto vicine a quella raggiunta dalle comuni batterie Li-ion.
Grazie alle ricerche portate avanti dal Department of Energy's Argonne National Laboratory, invece, si è trovato un altro metodo per tenere liberi i pori degli elettrodi. Durante gli ultimi esperimenti condotti proprio all'Argonne National Laboratory, gli scienziati Jun Lu, Larry Curtiss e Khalil Amine, insieme ad alcuni collaboratori americani e coreani, sono stati abili nel creare un superossido di litio cristallizzato (LiO2) - che tra l'altro si è dimostrato stabile - invece che un perossido di litio durante la scarica della batteria. Quest'ultimo non è facilmente scindibile in litio ed ossigeno, mentre con il superossido di litio accade la situazione opposta. Tale separazione è quella che può portare ad un'altissima efficienza, piuttosto che ad un ciclo di carica-scarica durevole nel tempo. Gli scienziati coinvolti hanno così spiegato le loro scoperte: "Questa rivelazione apre per davvero un nuovo percorso per il potenziale sviluppo di una nuova forma di batteria. Anche se sono necessarie altre ricerche, il ciclo di vita era quello che stavamo cercando di potenziare a tutti i costi. La fase di stabilizzazione del superossido può guidarci proprio nello sviluppo di un nuovo sistema di batterie basato sul litio, che ha il potenziale di offrire circa cinque volte la densità di energia messa in campo dagli ioni di litio. Comunque, siamo solo a metà a lavoro. Dobbiamo ancora capire come progettare i catalizzatori per comprendere esattamente cos'è coinvolto nei processi (chimici, ndr) delle batterie al litio-ossigeno".

Litio ed ossigeno per i veicoli elettrici

Data la loro grande capacità, le batterie al litio-ossigeno sarebbero perfette anche per i veicoli elettrici. In tal caso, però, gli ostacoli sono ancor di più, poiché le auto sono molto pesanti ed hanno bisogno di più energia. In teoria, queste batterie possono essere dense quanto un serbatoio di benzina, arrivando dove nessuna tecnologia elettrica attuale è riuscita. Il professor Clare Grey della Cambridge University ha annunciato una serie di modifiche alla struttura delle batterie per far sì che queste siano ottimizzate per i veicoli. Esse sono in grado di immagazzinare 12 kilowattora di potenza per chilogrammo che, paragonato agli 0,18 Kwh/kg delle batterie attuali ed ai 13 Kwh/kg della benzina, fa comprendere quanto efficaci possano essere. In questo ambito, il loro potenziale deriva dall'utilizzo di "due elementi decisamente leggeri, il litio e l'ossigeno (rispettivamente massa 7 e 16) che si uniscono in una reazione". Con i veicoli, l'occlusione dei pori degli elettrodi è un problema ancor più serio, poiché la carica residua diventa più critica. Fortunatamente la soluzione è la stessa, e cioè l'utilizzo di più strati di grafene per gli elettrodi. Tutti questi vantaggi non stanno a significare che le auto elettriche, con le nuove batterie, saranno su strada da qui a poco: "L'efficienza che vogliamo raggiungere è ancora lontana, e dobbiamo ancora trovare modi per aumentare la solubilità dell'ossigeno e per progettare delle strutture degli elettrodi che permettano un ciclo di vita più lungo. Dobbiamo inoltre ridurre l'intolleranza al CO2 sul catodo ma, data l'elevatissima densità di energia, è una sfida che vale la pena affrontare", ha ribadito il professor Grey.

Batterie al litio-ossigeno Rimpiazzati o meno da litio e ossigeno, gli ioni di litio sono destinati a scomparire dalla piazza. Non è ancora chiaro quando potremo assaporare l’efficienza di queste nuovissime batterie nei nostri dispositivi o nelle auto elettriche. Gli scienziati devono ancora compiere numerose sperimentazioni e test sul campo al fine di garantire l’efficacia, la sicurezza e quindi la commercializzazione dei nuovi accumulatori. Per i veicoli elettrici, i produttori dovranno stare molto attenti al costo e al costruire un adeguato numero di stazioni di ricarica; solo in tale maniera si può arrivare alla diffusione delle batterie al litio-ossigeno nelle auto. Prima di raggiungere queste però, le batterie verranno impiegate in prodotti di scala e portata inferiore. La versione definitiva non dovrebbe però raggiungere un’efficienza del 90%, ma leggermente minore. Insomma, il punto è che siamo di fronte ad un probabile momento di svolta, che potrebbe eliminare uno dei problemi più fastidiosi dei device mobili e delle auto con motore elettrico.