Toyota: in sviluppo batterie al litio che non usano il solvente

Una delle maggiori problematiche delle comuni batterie Li-Ion è il liquido interposto fra i due elettrodi, che è fonte di poca sicurezza.

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Per molti degli utenti valutare la bontà di una batteria significa giudicare la sua durata, ovvero - più nello specifico - per quanto tempo è capace di fornire elettroni al nostro dispositivo. Questo è ciò, in maniera semplificata, che accade a smartphone e tablet, ma in altri settori non è tutto così semplice; alcuni specifici campi applicativi richiedono non solo batterie che abbiano una durata accettabile, ma che possano anche operare lungo un range di temperature molto elevato, oppure che siano flessibili. Altri contesti pretendono invece determinati vincoli sulle velocità di carica e/o di scarica, o sulla compattezza. Una batteria unica, che calzi a pennello in qualsiasi circostanza, non esiste ancora, ed ogni ambiente ne utilizza una particolare. In sostanza, oggigiorno c'è un grosso trade-off fra le proprietà sopraindicate.
Una collaborazione fra la nota casa automobilistica Toyota e alcuni ricercatori universitari promette però una maggiore versatilità. L'idea è quella di realizzare una batteria agli ioni di litio più compatta, più energeticamente densa, con la velocità di carica di un superconduttore ed anche più sicura. L'innovativo progetto messo in campo dall'azienda giapponese si basa sull'eliminazione del solvente - un liquido elettrolita - utilizzato dalle canoniche batterie.

I problemi delle ioni di litio

Nella pratica, le batterie funzionano mediante elementi molto semplici: due elettrodi separati da un elettrolita che permette agli ioni di fluire da un capo all'altro. La soluzione elettrolita è nella stragrande maggioranza dei casi risolta con l'impiego di un liquido poiché fa poca resistenza e consente agli ioni stessi di essere più mobili. Questo però ha un contro, e cioè che composti non solidi possono in teoria dare luogo a perdite, che causerebbero malfunzionamenti della batteria. Ciò succede anche nella pratica, e non è un problema da sottovalutare in quanto l'elettrolita liquido è una sostanza con un certo livello di pericolosità. Per rendere le batterie più sicure, alcuni ricercatori hanno cercato di dare vita a composti solidi, ma chiaramente questi ultimi non avevano le performance di quelli liquidi a causa delle maggiori difficoltà nello spingere gli ioni da un elettrodo verso il suo opposto.
Ricercatori della Toyota sembrano però aver trovato un elettrolita solido che è anche ottimo per la conduzione di ioni. La scoperta di basa su una struttura cristallina che posiziona gli ioni in fila uno dietro l'altro, creando sostanzialmente un canale per il loro flusso. Il solido individuato è però molto costoso, oltre ad essere chimicamente instabile. L'obiettivo dei ricercatori è allora diventato quello di cercare qualcosa di alternativo ma con le stesse proprietà.

Le nuove Li-Ion

Gli sviluppi hanno portato gli scienziati ad una conclusione effettivamente positiva, con elementi stabili ed economici. Due sono stati quelli più interessanti: il primo è risultato utile per le applicazioni che hanno bisogno di flussi di corrente elevata, mentre il secondo si è rivelato resistente agli alti voltaggi. Una delle loro qualità rilevanti è che hanno una conduttività praticamente doppia rispetto a quella degli elettroliti solidi classici. Possono poi operare a temperature che vanno da -30 a +100 gradi Celsius. Le batterie Li-Ion più comuni non riescono a lavorare bene in condizioni troppo calde o eccessivamente fredde. Le nuove proposte sono anche in grado di ricaricarsi molto velocemente, completando un ciclo di carica completa in soli sette minuti. Quando la temperatura ambientale è elevata esse raggiungono velocità di carica/scarica che potremmo associare a quelle dei superconduttori. La densità di energia è invece paragonabile alle attuali batterie.
Il contro più grosso è però che, a causa di non meglio note reazioni chimiche fra gli elettrodi e l'elettrolita solido, nei primi cinquecento cicli di carica/scarica la batteria non opera a piena capacità. Superato questo valore essa è capace di immagazzinare poi il 75% della carica. Si tratta comunque di qualcosa di non troppo importante, poiché le batterie vengono di solito utilizzate per un lungo periodo. I vantaggi di questa nuova tipologia di batterie sono quindi tanti, senza considerare che il solido non si degrada nel tempo, sopporta meglio le alte temperature ed è più sicuro poiché evita le perdite.

Batterie agli ioni di litio Le nuove batterie non risolvono tutti i problemi esistenti nel settore. I materiali di cui potranno essere composti gli innovativi elettroliti possiedono ancora punti non risolti e sono tra l’altro ancora sotto segreto tecnico. Per esempio, con determinate condizioni non è assicurato che non generino qualche rigonfiamento o che si rimpiccioliscano, causando così un fallimento strutturale della batteria. I cicli di ricarica/scarica molto veloci sono quelli che possono più di ogni altro aspetto contribuire a tale, ultima problematica. I nuovi materiali risolvono gran parte degli svantaggi degli elettroliti liquidi, ma la strada da fare è ancora in salita. Si tratta pur sempre di tecnologie sperimentali, come quelle relative alla composizione litio-ossigeno, di cui abbiamo parlato in un articolo precedente. In futuro potremmo seriamente vedere una di queste composizioni emergere rispetto alle altre e diventare uno standard, sperando che sia il più presto possibile perché l’industria ne ha davvero bisogno.