Nota del redattore: La tecnologia elettrica rappresenta il futuro del pianeta verde e la tecnologia delle batterie ne costituisce il fondamento e la chiave per limitarne lo sviluppo su larga scala. L'attuale tecnologia dominante per le batterie è quella agli ioni di litio, che offre una buona densità energetica e un'elevata efficienza. Tuttavia, il litio è un elemento raro, costoso e con risorse limitate. Allo stesso tempo, con la crescente diffusione delle fonti di energia rinnovabile, la densità energetica delle batterie agli ioni di litio non è più sufficiente. Come rispondere a questa esigenza? Mayank Jain ha analizzato alcune tecnologie per batterie che potrebbero essere utilizzate in futuro. L'articolo originale è stato pubblicato su Medium con il titolo: Il futuro della tecnologia delle batterie.
La Terra è piena di energia e noi stiamo facendo tutto il possibile per catturarla e utilizzarla al meglio. Sebbene abbiamo fatto progressi significativi nella transizione verso le energie rinnovabili, non abbiamo compiuto grandi passi avanti nello stoccaggio dell'energia.
Attualmente, lo standard più elevato nella tecnologia delle batterie è rappresentato dalle batterie agli ioni di litio. Queste batterie sembrano offrire la migliore densità energetica, un'elevata efficienza (circa il 99%) e una lunga durata.
Quindi qual è il problema? Man mano che la quantità di energia rinnovabile che catturiamo continua a crescere, la densità energetica delle batterie agli ioni di litio non è più sufficiente.
Poiché possiamo continuare a produrre batterie in lotti, questo non sembra essere un grosso problema, ma il problema è che il litio è un metallo relativamente raro, quindi il suo costo non è basso. Sebbene i costi di produzione delle batterie stiano diminuendo, anche il bisogno di sistemi di accumulo di energia sta aumentando rapidamente.
Siamo giunti a un punto in cui, una volta prodotta la batteria agli ioni di litio, questa avrà un impatto enorme sul settore energetico.
L'elevata densità energetica dei combustibili fossili è un dato di fatto, e questo è un fattore determinante che ostacola la transizione verso una totale dipendenza dalle energie rinnovabili. Abbiamo bisogno di batterie che emettano più energia del nostro peso.
Come funzionano le batterie agli ioni di litio
Il meccanismo di funzionamento delle batterie al litio è simile a quello delle normali batterie chimiche AA o AAA. Sono dotate di un anodo e un catodo, con un elettrolita interposto. A differenza delle batterie tradizionali, la reazione di scarica in una batteria agli ioni di litio è reversibile, pertanto la batteria può essere ricaricata ripetutamente.
Il catodo (terminale positivo) è costituito da fosfato di ferro e litio, l'anodo (terminale negativo) è costituito da grafite, e la grafite è composta da carbonio. L'elettricità non è altro che il flusso di elettroni. Queste batterie generano elettricità spostando gli ioni di litio tra l'anodo e il catodo.
Quando si caricano, gli ioni si spostano verso l'anodo, e quando si scaricano, gli ioni si spostano verso il catodo.
Questo movimento di ioni provoca il movimento degli elettroni nel circuito, quindi il movimento degli ioni di litio e il movimento degli elettroni sono correlati.
batteria ad anodo di silicio
Molte grandi case automobilistiche, come BMW, hanno investito nello sviluppo di batterie con anodo di silicio. Come le normali batterie agli ioni di litio, queste batterie utilizzano anodi di litio, ma al posto degli anodi a base di carbonio, utilizzano il silicio.
Come anodo, il silicio è migliore della grafite perché richiede 4 atomi di carbonio per contenere il litio, e un atomo di silicio può contenere 4 ioni di litio. Questo rappresenta un notevole miglioramento, rendendo il silicio 3 volte più resistente della grafite.
Tuttavia, l'utilizzo del litio rimane un'arma a doppio taglio. Questo materiale è ancora costoso, ma è anche più facile convertire gli impianti di produzione alle celle al silicio. Se le batterie dovessero essere completamente diverse, sarebbe necessario riprogettare interamente la fabbrica, il che ridurrebbe leggermente l'attrattiva del passaggio a questa tecnologia.
Gli anodi di silicio vengono prodotti trattando la sabbia per ottenere silicio puro, ma il problema principale che i ricercatori si trovano ad affrontare attualmente è che gli anodi di silicio si gonfiano durante l'uso. Ciò può causare un degrado troppo rapido della batteria. Inoltre, la produzione in serie di anodi risulta complessa.
batteria al grafene
Il grafene è un tipo di fibra di carbonio che utilizza lo stesso materiale di una matita, ma il processo di fissaggio della grafite alle fibre richiede molto tempo. Il grafene è apprezzato per le sue eccellenti prestazioni in molti ambiti di applicazione, tra cui le batterie.
Alcune aziende stanno lavorando su batterie al grafene che possono essere caricate completamente in pochi minuti e scaricate 33 volte più velocemente rispetto alle batterie agli ioni di litio. Questo è di grande valore per i veicoli elettrici.
batteria in schiuma
Attualmente, le batterie tradizionali sono bidimensionali. Possono essere impilate come una batteria al litio oppure arrotolate come una tipica batteria AA o agli ioni di litio.
La batteria a schiuma è un nuovo concetto che prevede il movimento della carica elettrica nello spazio tridimensionale.
Questa struttura tridimensionale può accelerare i tempi di ricarica e aumentare la densità energetica, caratteristiche estremamente importanti per una batteria. Rispetto alla maggior parte delle altre batterie, le batterie a schiuma non contengono elettroliti liquidi dannosi.
Le batterie a schiuma utilizzano elettroliti solidi anziché liquidi. Questo elettrolita non solo conduce gli ioni di litio, ma isola anche gli altri dispositivi elettronici.
L'anodo che contiene la carica negativa della batteria è realizzato in rame espanso e rivestito con il materiale attivo necessario.
Successivamente, attorno all'anodo viene applicato un elettrolita solido.
Infine, per riempire gli spazi vuoti all'interno della batteria si utilizza la cosiddetta "pasta positiva".
Batteria all'ossido di alluminio
Queste batterie vantano una delle più alte densità energetiche in assoluto. La loro energia è più potente e il peso inferiore rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Alcuni sostengono che queste batterie possano garantire un'autonomia di 2.000 chilometri ai veicoli elettrici. Di cosa si tratta esattamente? Per fare un confronto, l'autonomia massima di una Tesla è di circa 600 chilometri.
Il problema di queste batterie è che non possono essere ricaricate. Producono idrossido di alluminio e rilasciano energia attraverso la reazione tra alluminio e ossigeno in un elettrolita a base d'acqua. L'utilizzo delle batterie consuma alluminio, che funge da anodo.
batteria al sodio
Attualmente, gli scienziati giapponesi stanno lavorando alla realizzazione di batterie che utilizzano il sodio al posto del litio.
Ciò rappresenterebbe un problema, poiché le batterie al sodio sono teoricamente 7 volte più efficienti di quelle al litio. Un altro enorme vantaggio è che il sodio è il sesto elemento più abbondante nelle riserve terrestri, a differenza del litio, che è un elemento raro.
Data di pubblicazione: 2 dicembre 2019