La nuova frontiera delle batterie? L'alluminio!

Ne hanno parlato i telegiornali ieri, ovviamente in modo superficiale e poco esaustivo, proviamo ad entrare un po' più nel dettaglio.

Per chi non l'avesse ancora capito, ci riferiamo alla nuova tecnologia nata nei laboratori della Stanford University, sotto la supervisione del professore di chimica Hongjie Dai, che permette alle batterie di ricaricarsi in un solo minuto.

Si tratta di una batteria flessibile agli ioni di alluminio che è in grado di immagazzinare la stessa quantità di energia delle batterie tradizionali (piombo-acido e nickel-metallo idruro), ma con la capacità di ricaricarsi in appena un minuto. La nuova batteria, inoltre, è molto più longeva, e garantisce un numero maggiore di cicli di carica/scarica.

Il progetto in questione avrebbe molteplici vantaggi, se per ora è possibile realizzare solamente batterie di piccole dimensioni (4,5 V), in un futuro prossimo, sarà possibile ottenere vantaggi in diverse applicazioni, e, perché no, anche in quella dell'immagazzinamento di energia a livello di rete elettrica, permettendo la realizzazione di batterie per dispositivi indossabili o portatili.

Quali sono i vantaggi portati dalla nuova categoria di batterie? Le celle agli ioni di alluminio sono un'alternativa interessante a quelle tradizionali in quanto:

• l'alluminio è disponibile in abbondanza e di conseguenza è economico;
• è un materiale abbastanza inerte, il che porta alla realizzazione di batterie più sicure e con un basso grado di infiammabilità.

L'alluminio, non è l'unico metallo con queste peculiarità, ed è per questo che molti team di ricerca stanno lavorando su batterie agli ioni di litio studiando le possibilità di impiego di potassio, sodio e manganese.

Dal punto di vista chimico, l'alluminio ha tre elettroni di valenza rispetto al solo elettrone del litio (un ringraziamento al mio professore di Chimica all'Università degli Studi... allora a qualcosa serviva...). Le reazioni di carica/scarica muovono quindi tre elettroni per ciascun atomo, il che significa che, una batteria in alluminio, può contenere il triplo dell'energia di una controparte agli ioni di litio.

Da tempo scienziati e ricercatori hanno tentato di realizzare batterie a base di ioni di alluminio, senza però trovare una strada efficace per sviluppare un adeguato sistema chimico.

Tra i vari tentativi: l'impiego di anodi solidi in alluminio, elettroliti liquidi contenenti alluminio e vari materiali di catodo come ossido di manganese, nanocavi di vanadio e polimeri drogati.

Il migliore di questi sistemi ha mostrato basse tensioni di scarica, una longevità inferiore a 100 cicli di carica/scarica e notevoli decadimenti nella capacità di stoccaggio dell'energia. Inoltre, in tutti i casi, il catodo ha mostrato una degradazione piuttosto rapida.

Il Prof. Dai e i colleghi sono riusciti ad ideare un catodo in grado di migliorare le performance dei predecessori ed è basato su una schiuma tridimensionale di grafite, altamente porosa e leggera, realizzata in laboratorio.

Il materiale può così intrappolare un elevato numero di ioni di alluminio, permettendo a questi ultimi di muoversi velocemente nel materiale, portando quindi a tempi di carica/scarica piuttosto rapidi.

I ricercatori hanno inserito il catodo di grafite assieme ad un un sottile foglio di alluminio come anodo e ad un elettrolita ionico liquido all'interno di una sorta di astuccio flessibile. Questa struttura, una vera e propria cella di batteria, può essere ricaricata ad una densità di corrente di 5 ampere per grammo in circa un minuto e, ponendo una capacità specifica vicino a 70mAh/g, può essere scaricata in circa 34 minuti.

La densità di energia della batteria, di circa 40Wh/Kg, è comparabile a quella delle batterie al piombo-acido e alle batterie NiMH, ma permette una longevità molto più estesa (pari a circa 7500 cicli di carica senza perdita di capacità). Le batterie agli ioni di litio hanno una longevità pari a circa 1000 cicli.

La nuova batteria ha una densità di potenza di 3000 Watt/Kg, caratteristica che la rende molto simile ad un super-condensatore. L'unica differenza, e che la rende una batteria, è rappresentata dalla stabilità della tensione con cui avviene la scarica: un super-condensatore infatti è caratterizzato da una tensione di scarica che si riduce in maniera continua.

I ricercatori stanno ora lavorando per affinare il progetto e stanno cercando un'alternativa più economica all'elettrolita liquido ionico, che possa rendere la batteria più competitiva dal punto di vista commerciale, oltre a verificare la possibilità di incrementare la capacità di stoccaggio dell'energia della grafite usata per costruire il catodo.

Il Prof. Dai ha comunque affermato che già alcune aziende si sono fatte avanti per cercare di ottenere una licenza per l'impiego della tecnologia. Come dar loro torto!