Fino a poco tempo fa c’erano diversi ostacoli alla realizzazione delle tecnologie che prevedevano elettrodi a reazione litio-ossigeno: da oggi non è più così, e i risultati sono molto promettenti
Eliminare il maggior numero di limiti possibili alle batterie a litio. È questo l’obiettivo dei ricercatori che sviluppano alternative ai sistemi di alimentazione attuali, inventando soluzioni come le batterie litio-aria. Se fino a qualche tempo fa si trattava di tecnologie di difficile realizzazione, però, oggi una ricerca ha dimostrato che sono possibili e hanno una densità energetica molto promettente.
Abbiamo parlato di questi temi al nostro ultimo webinar sulle batterie, disponibile qui.
Come funzionano le batterie a litio tradizionali
Tradizionalmente le batterie a litio si basano sull’intercalazione, ossia un processo per cui il litio è schiacciato in spazi all’interno di materiali come la grafite. Buona parte del volume della batteria è dunque occupato da cose che non contribuiscono al trasporto di carica tra gli elettrodi, riducendo le possibilità di densità energetica di queste tecnologie.
Per questa ragione si sta lavorando per sviluppare nuovi tipi di batterie. Lo fa, ad esempio, il progetto Battery 2030+, che si occupa di studiare le tecnologie delle batterie del futuro, ovvero oltre il 2030, sopeattutto con composizioni combinate del litio. Ci sono due strade interessanti che sono state percorse ultimamente: quella dell’accostamento litio-metallo, con vari materiali, e quella che prevede la reazione tra litio e aria per formare composti litio-ossigeno. Un’altra soluzione, che è stata presentata di recente, usa invece entrambe le tecnologie.
Un elettrodo litio-metallo, l’altro litio-aria
La batteria ipotizzata da un recente studio pubblicato su Science, infatti, è composta da un lato da un elettrodo a tecnologia litio-metallo, dall’altra uno con reazione litio-aria. Con risultati accettabili su cicli di più di 1000 cariche. Solitamente, infatti, attraverso i processi di carico e scarico della batteria gli elettrodi litio-metallo tendono a sviluppare delle irregolarità nella forma di cristalli che, col passare del tempo, causano cortocircuiti.
Per quanto riguarda gli elettrodi litio-aria, di solito i problemi sono relativi ai materiali, come quello di supporto che deve essere abbastanza poroso (e restarlo col passare del tempo) per far entrare l’aria nella batteria. Inoltre, l’elettrodo rischia di entrare in contatto con una serie di ossidi di litio (che si formano per reazione con l’aria) che non riesce a gestire, con il conseguente collasso della batteria.
Difficoltà che sembrano essere state risolte all’interno della più recente ricerca. Nel caso trattato, infatti, l’elettrodo litio-aria è composto da una matrice porosa idrorepellente e un catalizzatore che si chiama fosfuro tri-molibdeno (Mo3P), molto resistente e in grado di raggiungere i 1200 cicli di carica, oltre che di risolvere (quantomeno in parte) il problema dei sottoprodotti problematici della reazione litio-ossigeno.
Risultati e cosa c’è da migliorare ancora
I risultati raggiunti dai ricercatori sono sicuramente incoraggianti sia per i cicli di carica che per l’attività del 100% dei materiali di partenza una volta superati i 1000 cicli. I problemi nascono però quando si parla di prestazioni: l’efficienza energetica di questo tipo di batterie è abbastanza alta, ma comunque più scarsa rispetto a quelle tradizionali. Un dato che può essere d’intralcio con l’uso intensivo.
A livello di densità energetica, però, siamo su un altro pianeta rispetto a ciò che è stato conosciuto finora. Già in fase sperimentale, infatti, questa tecnologia più conservare più del doppio di quanto abbiamo finora. Qualcosa come 685 watt-ora per chilogrammo. C’è sicuramente margine di miglioramento, dunque, ma i risultati fanno davvero ben sperare.
