Una nuova chimica

New Chemistry

Le batterie al litio-ionico sono diventate una parte critica della vita moderna. Forniscono l’energia per avviare e far funzionare veicoli, far funzionare laptop e smartphone senza un cavo di alimentazione e far funzionare una vasta gamma di altre macchine.

Eppure, nonostante la comodità delle batterie al litio-ionico, hanno alcuni svantaggi e non funzionano particolarmente bene in determinati ambienti. Di conseguenza, i ricercatori stanno procedendo con nuovi tipi di batterie. Nel gennaio 2023, un gruppo di ricercatori presso l’Università di Tecnologia di Vienna (TU Wien) a Vienna, Austria, ha annunciato in un articolo scientifico pubblicato sulla rivista Advanced Energy Materials di aver costruito una batteria alimentata da un processo a ioni di ossigeno.

Il dispositivo, realizzato con materiali ceramici non combustibili, assorbe e scarica ioni di ossigeno a doppia carica negativa. Questo rende la batteria ideale per grandi sistemi di stoccaggio, come quelli integrati nelle reti elettriche. Sebbene la tecnologia a ioni di ossigeno sia attualmente relegata al laboratorio, i ricercatori hanno già presentato una domanda di brevetto in collaborazione con gruppi partner in Spagna e Francia.

Afferma Alexander Schmid, ricercatore senior presso l’Istituto per le Tecnologie Chimiche e Analitiche presso la TU Wien: “Le batterie a ioni di ossigeno contribuiranno sperabilmente a rendere fattibile lo stoccaggio di energia elettrica sostenibile su larga scala”.

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Guadagnare energia

Oggi, le batterie al litio-ionico alimentano il mondo. Si trovano in sistemi grandi e piccoli. “Dal 2008, c’è stato un salto da 5 a 10 volte nella densità volumetrica. Questo avanzamento ha reso possibile alimentare dispositivi con fattore di forma sempre più piccolo per periodi di tempo sempre più lunghi”, afferma Brandon Lucia, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Carnegie Mellon University.

Le batterie al litio-ionico non sono ideali per sistemi di stoccaggio, come case, data center e reti, tuttavia. Le batterie possono prendere fuoco, ci sono preoccupazioni legate alla fornitura di materiali di terre rare e sono un pericolo per l’ambiente. “C’è la necessità di diminuire la dipendenza da minerali più rari che sono difficili da reperire, tra cui il cobalto, che è stato associato ad abusi dei diritti umani”, afferma Lucia.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno iniziato a esplorare l’uso di sodio, magnesio, potassio e altri materiali per progettare nuovi e diversi tipi di batterie. Il gruppo TU Wien ha iniziato a sperimentare la tecnologia a ioni di ossigeno nel 2021. “Il progetto è iniziato come pura curiosità accademica, come una dimostrazione illustrativa di fisica fondamentale”, spiega Schmid. “Solo in seguito ci siamo resi conto del grande potenziale per un’applicazione pratica nell’economia energetica”.

Anche se le batterie a ioni di ossigeno funzionano a una temperatura più alta (circa 200-400 gradi Celsius) e possono immagazzinare solo circa un terzo dell’energia di una batteria al litio-ionico delle stesse dimensioni (e quindi probabilmente richiederebbero sistemi più grandi), possono essere realizzate con materiali ampiamente disponibili come ferro, cromo, calcio, manganese, titanio e stronzio. Inoltre, utilizzano un elettrolita solido che non è infiammabile.

Le batterie non soffrono nemmeno della stessa perdita di capacità che si verifica nel tempo con altri tipi di batterie, comprese le batterie al litio-ionico. “Hanno la capacità di rigenerare la capacità di cella persa dall’ossigeno presente nell’atmosfera”, afferma Schmid.

Ossigeno-Ione avanza

Le batterie a ioni di ossigeno in scala di laboratorio sono realizzate mediante un processo di deposizione laser a impulsi che produce film sottili. “Funziona sparando un laser UV ad alta potenza su un bersaglio ceramico. A causa dell’alta energia, parte di questo bersaglio evapora e si converte in un plasma”, dice Schmid. “Questo plasma si condensa poi su un substrato spesso riscaldato e forma un film sottile dello stesso materiale del bersaglio ceramico”.

Il sistema funziona come quello di una batteria al litio-ionico, ma utilizza l’ossigeno al suo posto. Gli elettrodi ceramici immagazzinano e rilasciano ioni di ossigeno quando necessario. La tensione regola il flusso di ioni tra gli elementi ceramici. L’energia elettrica viene immagazzinata spingendo gli ioni di ossigeno da un elettrodo ceramico all’altro. Quando questi ioni tornano indietro, la batteria rilascia l’energia immagazzinata.

La sfida più difficile, afferma Schmid, è stata perfezionare il sistema di tenuta. “È stata una grande sfida ingegneristica nei nostri attuali sistemi su scala di laboratorio.” La prossima grande sfida, aggiunge, è scalare il sistema e aggiungere circuiti di controllo elettronico o software che producano un sistema di batterie commercialmente valido.

È probabile che ai gruppi di ricerca occorreranno diversi anni per arrivare a un sistema commercialmente fattibile. Tuttavia, è chiaro che i ricercatori hanno superato un ostacolo tecnico fondamentale e sono sulla buona strada per costruire batterie che potrebbero supportare un sistema energetico molto più sostenibile che incorpora sistemi di generazione di energia solare e eolica.

Nonostante rimangano diverse domande e sfide, Lucia descrive la tecnologia come “estremamente promettente”, soprattutto per la sua resistenza al decadimento durante cicli ripetuti e per i benefici ambientali. Schmid aggiunge: “Crediamo che ci sia un grande potenziale per questa tecnologia”.

Samuel Greengard è un autore e giornalista con sede a West Linn, OR, USA.