Dai laptop agli smartphone al fiorente settore delle auto elettriche, il nostro mondo fa sempre più affidamento sulle batterie ricaricabili. Ma come è noto a chiunque possieda un laptop da più di qualche anno, le batterie alla fine perdono la capacità di mantenere la carica completa.
Gli scienziati non hanno mai veramente capito perché ciò accada, il che ha reso difficile risolvere il problema. Ma secondo un paio di recenti studi di ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, pubblicati sulla rivista Nature Communications, potremmo essere più vicini che mai a una batteria che non si degrada.
Lavorando specificamente con batterie agli ioni di litio, comunemente utilizzate nei dispositivi di consumo a causa della loro leggerezza e capacità elevata, gli scienziati hanno mappato il processo di carica e scarica fino a miliardesimi di metro per capire meglio come funziona il degrado. Hanno scoperto due colpevoli nel degrado della batteria. Il primo: vulnerabilità microscopiche nella struttura del materiale della batteria guidano gli ioni di litio a casaccio attraverso la cellula, erodendo la batteria in modi apparentemente casuali, proprio come la ruggine si diffonde attraverso le imperfezioni dell'acciaio. Nel secondo studio, incentrato sulla ricerca del miglior equilibrio tra tensione, capacità di conservazione e cicli di carica massima, i ricercatori non solo hanno riscontrato problemi simili con il flusso ionico, ma anche piccoli accumuli di cristalli su nanoscala lasciati alle spalle da reazioni chimiche, che causano il flusso di ioni per diventare ancora più irregolare dopo ogni carica. Funzionamento a batterie a tensioni più elevate ha anche portato a più irregolarità del percorso ionico e quindi a una batteria che si deteriora più rapidamente.
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Può sembrare che gli scienziati avrebbero dovuto comprendere appieno la batteria, una tecnologia che esiste effettivamente dal 1800, decenni fa. Ma Huolin Xin, scienziato dei materiali presso Brookhaven Lab e coautore di entrambi gli studi, afferma che la combinazione vincente di nuove tecnologie è diventata disponibile solo di recente.
"Molti strumenti di caratterizzazione all'avanguardia, come i microscopi elettronici corretti dall'aberrazione e le nuove tecniche a raggi X con sincrotrone, non erano disponibili 10 anni fa", afferma Xin. Ma ora, dice, possono essere applicati allo studio delle batterie agli ioni di litio.
I nuovi dati offrono ai ricercatori un quadro più chiaro di come funzionano queste batterie, il che potrebbe portare a batterie più durature nell'elettronica di consumo in un futuro non troppo distante. Ma presenta anche nuovi problemi. Xin afferma che l'ottimizzazione della superficie è importante per le prestazioni della batteria, ma probabilmente una superficie più ampia facilita il degrado.
"Per prevenire il [degrado della superficie], possiamo ricoprire il catodo con uno strato di protezione", afferma Xin, "o nascondere queste superfici creando dei limiti all'interno delle polveri di dimensioni micron [all'interno della cellula]".
Trovare i modi più efficienti ed economici per farlo farà parte di una fase futura della ricerca.
Ma Daniel Abraham, uno scienziato incentrato sulla ricerca sulle batterie agli ioni di litio presso l'Argonne National Laboratory fuori Chicago, è scettico sul fatto che i nuovi studi rappresentino una vera svolta. Dice che il lavoro di mappatura con materiali simili è stato svolto in passato, incluso il suo team circa 12 anni fa. Ritiene inoltre che potrebbe esserci di più nel degrado della batteria rispetto a quanto scoperto dai nuovi studi.
"Stanno cercando di stabilire una correlazione tra il degrado delle prestazioni e le immagini che vedono, il che potrebbe non essere corretto", afferma Abraham. "È in parte la storia, ma non penso che sia l'intera storia."
Xin, è più ottimista sul fatto che il lavoro porterà a miglioramenti della batteria, non solo per i futuri veicoli elettrici, ma anche per l'elettronica portatile.
"Il catodo al litio-nichel-manganese-ossido di cobalto è stato recentemente identificato come l'unico materiale commercialmente valido per le batterie agli ioni di litio di prossima generazione", afferma Xin. "Risolvendo il suo problema di degrado, possiamo ridurre le batterie della prossima generazione e caricarle e scaricarle in modo più affidabile."
I due esperti di batterie concordano sul fatto che, per molte importanti applicazioni future, trovare un modo per produrre batterie che non si esauriscano rapidamente è altrettanto importante quanto creare batterie con una capacità maggiore.
Xin sottolinea che gli acquirenti di auto elettriche si preoccupano giustamente del guasto della batteria dopo la scadenza della garanzia. Abraham nota che mentre probabilmente hai bisogno di un paio di anni di prestazioni dalla batteria del tuo smartphone o tablet, per i veicoli elettrici, la maggior parte dei proprietari è alla ricerca di una batteria che dura dai 10 ai 15 anni. E per l'uso nella rete elettrica (per immagazzinare l'energia in eccesso prodotta nelle ore non di punta), le batterie dovrebbero durare 30 anni o più.
Ciò rende la costruzione di una batteria migliore per il tuo laptop molto più semplice rispetto alla risoluzione di problemi di longevità in altre aree.
"È bello avere una densità energetica più elevata, ma se si ottiene un'alta densità energetica ma non una lunga durata, allora la fattibilità commerciale di tali tecnologie viene messa in discussione", afferma Abraham. "Considerando che, se riesci a dimostrare di avere una nuova tecnologia e può durare da due a 30 anni, questo diventa immediatamente fattibile sul mercato".
Mentre il lavoro di Xin e dei suoi colleghi può aiutare i ricercatori a creare batterie che non si degradano così rapidamente, è chiaro che saranno necessarie ulteriori scoperte prima di vedere batterie ricaricabili che durano almeno un decennio senza usura grave.
