La grande sfida a cui sono chiamati i ricercatori di tutto il mondo in questo decennio riguarda essenzialmente la possibilità di produrre energia pulita e senza emissioni di sostanze dannose per l’atmosfera, dato che le previsioni ci dicono che nel 2050 la richiesta di energia elettrica per il pianeta sarà raddoppiata rispetto ad oggi.

Quali sono i limiti attuali della batterie al litio?

C’è però un’altro dilemma che affligge gli scienziati che lavorano in campo energetico: come fare a immagazzinare grandi quantità di energia in modo da poterla utilizzare quando serve?

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Le energie rinnovabili più di tutte le altre hanno bisogno di una tecnologia in grado di soddisfare questo bisogno, perché sono in grado di produrre energia prevalentemente quando le condizioni ambientali lo permettono (ad esempio il fotovoltaico quando c’è il sole e l’eolico in presenza di venti con velocità di almeno 6/7 metri al secondo).

batterie al litio

Attualmente la tecnologia più diffusa è quella delle celle agli ioni di litio, la quale sembra ormai aver svelato tutte le sue debolezze e limiti. Questa tipologia di batterie prevede l’impiego di robuste barre di grafite grazie alle quali fissare il componente principale, il litio, che è molto volatile.

Questo comporta un maggiore peso degli accumulatori e limita la quantità di metallo utilizzabile, il che si traduce in una autonomia ridotta in rapporto alle dimensioni e peso degli accumulatori. Inoltre le batterie agli ioni di litio sono tendenzialmente instabili, anche per via dell’elettrolita liquido sul quale si basa il funzionamento di questi accumulatori.

Il futuro delle nuove batterie al litio è legato ai nanofili?

batterie al litio con nanofili

Dall’Università della California, Irvine (UCI), arrivano però  interessanti novità per quanto riguarda questo tipo di batterie. Grazie al contributo di un team di ricercatori, capeggiati dalla candidata al dottorando Mya Le Tha, molti dei problemi elencati potrebbero essere risolti grazie a una nuova tecnologia detta nanofili, minuscole strutture semiconduttive in oro (dunque un’elettrolita solido), chiamate così perché più sottili di un capello umano (spessore di 1 nanometro).

I nanofili possono essere inseriti in quantità elevate in aree ristrette, garantendo una superficie ampia per il trasferimento degli elettroni e l’accumulo dell’energia. Gli esperimenti condotti dalla equipe californiana hanno dimostrato come questo tipo di batterie possa resistere a circa 200 mila cicli di carica/scarica (contro le normali batterie al litio che possono arrivare ad un massimo di 5/6 mila) senza che fossero alterate le proprietà del materiale. Forse non potranno durare in eterno ma potrebbero avere una durata di vita di decine di anni!

Il grosso problema che è stato riscontrato coi nanofili è che sono strutture estremamente fragili e quindi hanno una durata di vita limitata. Scoperto il problema, trovata la soluzione!

I nanofili dell’esperimento sono stati ricoperti da una guaina di protezione in biossido di magnesio, che ha reso la struttura più resistente a trazione e quindi più duratura. Un’ulteriore miglioria è stata applicata quando si è constatato che sarebbe servito un materiale più malleabile per il guscio dei nanofili, e si è pensato di ricorrere a un gel che ricorda il plexiglass per caratteristiche chimico-fisiche.

Questo gel plastifica l’ossido di metallo nella batteria, conferendole elasticità e prevenendo così le fratture, nonostante i nanofili siano stati realizzati molto più lunghi che larghi, per evidenziare possibili effetti di deformazione dovute alla massiccia espansione del litio ad alte temperature, che però non sono stati rilevati durante gli esperimenti.

Le dimensioni dei nanofili d’oro, sviluppati su supporto in vetro sono:  240 nm (lunghezza) e 35 nm (spessore). I ricercatori hanno poi condotto le proprie analisi modificando lo spessore del rivestimento di biossido di Manganese (tra 143 e 300 nm).

Il prossimo step su cui lavoreranno i ricercatori che si occupano di questo tipo di tecnologia riguarda la ricerca di un materiale più economico e maggiormente disponibile per la realizzazione dei nanofili rispetto all’oro!

Ad esempio, nel Tennessee è stato sviluppato un nuovo processo che sfrutta l’energia solare per sottrarre anidride carbonica dall’atmosfera e usarla per le batterie a ioni litio o ioni sodio grazie a dei nanotubi in carbonio, rendendo conveniente la cattura della CO2 e migliorare i rendimenti dei sistemi di accumulo. 

A Cambridge (in collaborazione con Pechino) sono state realizzate delle batterie a ioni litio – zolfo, a base di grafene come le le tradizionali a solo litio. Si sono visti miglioramenti riguardo l’efficienza e l’allungamento dei tempi di degrado grazie a una maggiore densità energetica, permessa dall’ottima tolleranza al sovraccarico dello zolfo, che ha anche diverse altre qualità, essendo economico, poco tossico e a basso peso.

Poiché si tratta di un’attività di ricerca di base, è ancora presto per parlare di tempistiche per la messa in commercio di sistemi di stoccaggio dell’energia a base di nanofili, come anche dei costi di queste eventuali batterie (che dipende chiaramente dai materiali utilizzati per la produzione). Risulta comunque interessante parlarne poiché le batterie hanno una grande versatilità, dato l’ampio mercato di cui godono e godranno ancor più in futuro!

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Fabio

Autore Fabio

Studente di Ingegneria Energetica presso il Politecnico di Torino. Appassionato di tematiche ambientali, coglie sempre l'occasione per scambiare concetti e idee.

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Join the discussion 2 Commenti

  • Nicola Spano' ha detto:

    Vi è poco da ridire , così sarà tracciato il nostro futuro. Nanostrutture studiate e dimensionate per quel problema, processo, fenomeno che vogliamo piegare alla nostra immaginazione e creatività scientifica. E’ probabile anche l’impiego di sistemi elettrochimici zwitterion con carica positiva e negativa contemporaneamente ed in qualche caso anche con uno o più elettroni “spaiati” detti radicali attivi e molto spesso instabili. Potranno anche reagire con la luce visibile e caricare le batterie senza elettricità esterna e pure cambiare colore. Finestre intelligenti e nello stesso tempo batterie . Sarà un futuro eccitante dove la luce dimostrerà appieno di essere costituita da elettroni ed assenza di elettrioni chiamate “lacune”. e- ed h+ saranno i componenti base del domani di moltissimi dispositivi che necissiteranno di interagire con la luce, proprio come un pannello fotovoltaico.

  • Gennaro Mele ha detto:

    Vorrei sapere da voi esperti cosa pensate sulla batteria che rivoluzionerà il mondo permettendo l’accumulo di energia a costo irrisorio poiché fatte di vetro e sodio che sono superiori come potenza a quelle al litio ,che si ricaricano in circa mezzora invece delle 7/8 ore e hanno innumerevoli cicli di ricarica senza perdita di rendimento. Questa batteria insieme alla vernice fotovoltaica o ai micro pannelli flessibili fotovoltaici e ai motori elettrici ad alto rendimento di ultimissima generazione potremo risolvere le problematiche di inquinamento ambientale in quanto avremmo a disposizione veicoli elettrici non inquinanti che avrebbero un costo irrisorio rispetto a quelli attualmente in commercio .Si potrebbero illuminare con la ultimissima tecnologia a led sia le strade che le abitazioni con stoccaggio dell’energia in grossi accumulatori interrati in vetro-sodio ;
    abitazioni con impianti geotermici e le caldaie ad alto rendimento potrebbero quasi azzerare le emissioni nocive e ridurre dell’80% i costi energetici … ma questa è un’altra storia poiché l’essere umano è ancora tanto animale (anzi mi scuso nei confronti delle altre specie animali che hanno un alto rispetto per la vita e l’ambiente in cui vivono) da dover morire di cancro e di malattie correlate all’ inquinamento solo per il suo vero dio “Il Denaro”.

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