Il mondo sta aspettando una svolta della batteria. Quasi tutti i settori dell'industria elettronica, tutto ciò che funziona a batteria, è limitato dalla potenza e dalla durata delle batterie che la fanno funzionare.
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"Il progresso o l'avanzamento delle batterie è molto più lento rispetto ad altri campi, e questo è un limite intrinseco delle batterie", afferma Stefano Passerini, caporedattore del Journal of Power Sources . “Non puoi aspettarti una batteria in grado di fornire energia a un telefono cellulare per una settimana o un mese. Alla fine, la massima quantità di energia che puoi conservare in una batteria è fissata dagli elementi disponibili. "
Ma ci sono progressi. I ricercatori stanno lavorando per migliorare la densità energetica (succo per peso e volume), il prezzo, la sicurezza, l'impatto ambientale e persino la durata della classe più popolare, le batterie agli ioni di litio, oltre a progettare tipi completamente nuovi.
La maggior parte delle batterie si trova in tre settori principali: elettronica di consumo, settore automobilistico e stoccaggio in rete.
"Li definirei i tre grandi secchi in cui le persone si intersecano con le batterie", afferma Venkat Srinivasan, vicedirettore per la ricerca e lo sviluppo presso il Centro comune per la ricerca sull'immagazzinamento dell'energia del Dipartimento dell'energia. Ogni secchio ha requisiti diversi e quindi le batterie utilizzate possono (a volte) essere molto diverse l'una dall'altra. Quel telefono in tasca ha bisogno di una batteria compatta e sicura, ma il peso e il costo sono meno importanti. Passa alle batterie per autoveicoli e, con così tante batterie, il costo e il peso diventano importanti, così come la durata del ciclo (saresti molto arrabbiato se quel nuovo Tesla richiedesse nuove batterie ogni due anni). Aumenta ulteriormente le dimensioni e le batterie che stanno iniziando a essere utilizzate per accumulare energia per le case e la rete hanno requisiti di peso o dimensioni molto ridotti.
Per decenni, l'elettronica di consumo (telefono, computer, fotocamera, tablet, droni e persino l'orologio) ha funzionato con batterie agli ioni di litio, grazie alla sua facile ricaricabilità e all'elevata densità energetica. In queste batterie, un reticolo di grafite, imbottito di ioni di litio, forma l'anodo. Un ossido forma il catodo, collegato al terminale opposto, e i due sono separati da un elettrolita liquido che consente agli ioni di attraversarlo. Quando i terminali esterni sono collegati, il litio si ossida e gli ioni fluiscono verso il catodo. La ricarica è solo il contrario. Più ioni di litio possono essere trasferiti in questo modo, maggiore è la potenza che la batteria può contenere. Abbiamo imparato ad apprezzare le dimensioni compatte e la facilità d'uso, se non la durata della batteria e la sicurezza. Ma potrebbe non esserci molto spazio per ulteriori miglioramenti, afferma Passernini.
"Ora le batterie agli ioni di litio sono quasi al limite", afferma. "Anche se lo stavamo già dicendo circa 10 anni fa, e i miglioramenti negli ultimi 10 anni sono stati abbastanza sostanziali."
Nel caso delle auto, le batterie sono in definitiva responsabili della durata della vettura e della temuta autonomia della gamma quando si tratta di auto elettriche. Per affrontare questo problema, ingegneri e scienziati stanno cercando di aggiungere più capacità di tensione alle batterie. Ma ciò è spesso associato a reazioni chimiche difettose, che diminuiscono la capacità nel tempo. Molta ricerca è dedicata alla ricerca di nuovi materiali e sostanze chimiche per aiutare o sostituire il reticolo agli ioni di litio o altre parti della batteria.
Srinivasan indica un paio di potenziali innovazioni, e queste non sono solo per le automobili: il tradizionale reticolo anodico in grafite potrebbe essere sostituito con silicio, che contiene 10 volte più ioni litio. Ma il silicio tende ad espandersi mentre assorbe il litio, quindi le batterie dovranno tenerne conto. Oppure: al posto del reticolo, il metallo al litio potrebbe fungere da anodo, a condizione che possiamo capire come evitare che si esaurisca catastroficamente quando viene ricaricato. È un problema che i produttori di batterie hanno cercato di risolvere da quando la batteria agli ioni di litio è stata inventata decenni fa. "Abbiamo avuto molte speranze di essere in un momento in cui forse questo problema di 30 anni può essere risolto di nuovo", afferma Srinivasan.
Forse il litio potrebbe essere completamente sostituito. I ricercatori stanno invece cercando modi per utilizzare sodio o magnesio e il Joint Center for Energy Storage Research sta utilizzando la modellizzazione computerizzata per studiare materiali personalizzati a base di ossido che potrebbero fungere da catodo per un anodo di magnesio. Il magnesio è particolarmente attraente perché la sua struttura gli consente di accettare due elettroni per atomo, raddoppiando la carica che può contenere.
Prashant Jain e i suoi collaboratori dell'Università dell'Illinois stanno lavorando su un aspetto diverso delle batterie al litio: l'elettrolito. L'elettrolita è il fluido che riempie lo spazio tra il catione (ione caricato positivamente) e l'anione (ione caricato negativamente), permettendo alle particelle cariche di fluire attraverso. È noto da tempo che alcuni materiali solidi, come il selenide di rame, permetteranno anche agli ioni di fluire, ma non abbastanza rapidamente per far funzionare dispositivi ad alta potenza. Jain, assistente professore di chimica, e i suoi studenti, hanno sviluppato un solido superionico, composto da nanoparticelle di selenide di rame, che ha proprietà diverse. Permette alle particelle cariche di fluire a una velocità paragonabile a un elettrolita liquido.
I potenziali vantaggi di questa tecnologia sono duplici: sicurezza e ciclo di vita. Se l'attuale batteria agli ioni di litio viene danneggiata, la batteria si mette in corto circuito e si riscalda. Il liquido si vaporizza e non c'è nulla per impedire un rapido scarico di energia: boom. Un solido eviterà tale cortocircuito e consentirà un anodo in metallo pieno, che offre una maggiore capacità energetica. Inoltre, su cicli ripetuti, gli elettroliti liquidi iniziano a dissolvere il catodo e l'anodo, e questo è uno dei motivi principali per cui le batterie alla fine non riescono a caricarsi.
“Ci sono stati tutti questi miglioramenti incrementali che hanno effettivamente fatto dei progressi. Ma non c'è mai stata una grande svolta drammatica, una tecnologia dirompente dove si può dire ora, l'elettrolita solido corrisponde davvero al potenziale in termini di trasporto degli ioni che gli elettroliti liquidi [possono] ", afferma Jain. "Ora che i problemi di sicurezza stanno emergendo, con gli elettroliti liquidi, i ricercatori sono stati come, forse dobbiamo pensare a qualcosa di drammatico con elettroliti solidi e, una volta per tutte, crearne uno che possa sostituire un elettrolita liquido."
John Goodenough, co-inventore della batteria agli ioni di litio, sta sviluppando una batteria con un elettrolita a base di vetro. (Cockrell School of Engineering, Università del Texas ad Austin) Uno dei co-inventori della batteria originale agli ioni di litio sta prendendo un'altra strada verso gli elettroliti a stato solido: John Goodenough, professore emerito di ingegneria all'Università del Texas, ha pubblicato e depositato una domanda di brevetto per una batteria con un vetro elettrolita a base. Impregnando il vetro di litio o sodio, Goodenough è stato in grado di consentire alla corrente di fluire ancora più velocemente, evitando cortocircuiti e aumentando la capacità energetica con un anodo solido.
Tutta questa ricerca influenzerà le batterie nelle nostre tasche e automobili. Ma c'è una terza categoria, in cui gli impatti sono globali.
Melanie Sanford sta usando strumenti di modellazione su un diverso tipo di batteria: enormi batterie a flusso redox che immagazzinano energia da centrali elettriche rinnovabili e la rilasciano quando il vento e il sole non sono disponibili. La serata tra le vette e le valli della produzione e del consumo di energia aiuterà le energie rinnovabili a crescere per fornire più di una semplice energia supplementare.
La California del sud Edison sta già sperimentando batterie di batterie, utilizzando batterie per auto Tesla, ma poiché le batterie sono tradizionali a base di ioni di litio, sono troppo costose per essere utilizzate su una scala che consentirà energia rinnovabile globale. Inoltre, i vincoli per una batteria di rete sono molto diversi da quelli di un'auto. Peso e dimensioni non sono un problema, ma lo sono il prezzo e la durata.
In una batteria a flusso redox, il materiale di accumulo di energia viene tenuto in forma liquida in grandi serbatoi, quindi pompato in una cella più piccola dove reagisce con un apparato simile che ha la carica opposta. La modellizzazione computerizzata ha permesso al laboratorio di Sanford di progettare molecole organiche personalizzate, portando a un aumento di mille volte, da meno di un giorno a mesi, nel tempo in cui queste molecole rimangono stabili.
"Per la fonte su scala di rete, il tipo di cosa di cui hai bisogno sono materiali che sono super economici, perché stiamo parlando di enormi batterie", afferma Sanford. "Stiamo parlando di un parco eolico, e quindi di un'area comparabile di magazzini con queste batterie".
Secondo Sanford, le innovazioni arriveranno sia dalla scienza dei materiali - sviluppo di nuovi materiali da inserire nelle nostre batterie - sia dagli ingegneri che renderanno i sistemi costruiti attorno a tali materiali più efficienti. Entrambi saranno necessari, ma la pipeline dalla ricerca alla produzione sarà necessariamente un altro collo di bottiglia.
"Tutti dovrebbero essere consapevoli che non esiste una batteria in grado di adattarsi a tutte le applicazioni", afferma Passerini. "È chiaro che anche guadagnare un po 'di prestazioni - 10 percento, 20 percento - è un grosso problema. Dobbiamo fare ricerche sul campo. Gli scienziati devono essere supportati ".
