Quanto sono importanti le batterie? Diciamocelo: sono davvero indispensabili. Viviamo in una società perennemente in movimento e abbiamo esigenze di connettività che non possono essere soddisfatte se non dai nostri dispositivi portatili più inseparabili. Ma essi, per funzionare, hanno bisogno di energia. E noi, di ricaricarli. La nostra domanda tecnologica cresce continuamente e così anche i produttori devono adeguarsi. Le batterie agli ioni di litio hanno segnato il passo del futuro ma oggi, forse, è arrivato il momento di abbandonarle. Vediamo se le cose stanno davvero così e capiamo che cosa succederà o potrebbe succedere, nel prossimo futuro. Siete pronti?
Articolo gentilmente offerto da Mouser Electronics.
Le batterie sono la fonte di alimentazione primaria per tutte le tecnologie portatili e che quindi ci permettono di essere autonomi in mobilità. Cose che conosciamo bene, dal momento che abbiamo bisogno di caricare i nostri dispositivi sempre più spesso, soprattutto dall’avvento degli smartphones e dei tablet. Sul mercato si sono affacciati prodotti molto utili che provano a risolvere queste esigenze, i cosiddetti power-bank, ovvero pacchi batteria di capacità superiori anche ai 5000 mAh.
La tecnologia delle batterie agli ioni di litio è stata di grande successo per diversi aspetti: peso minimo, costo contenuto, alta longevità, minor tempo di ricarica richiesto e assenza dell’effetto memoria; tutto questo supportato dall’alta densità di energia immagazzinabile. Oltre al fatto che sono stati studiati metodi per ottimizzare la gestione del livello di carica.
Tuttavia, la tecnologia, sviluppata durante gli anni 70, sfortunatamente si sta avvicinando al suo limite tecnologico, oltre che teorico; non riesce a tenere il passo con l’avanzamento tecnologico dei dispositivi da alimentare (e le ricariche sono diventati più frequenti).
Sul tema, e sullo sviluppo della tecnologia, preoccupazione di tutti i Paesi, è intervenuto, ad esempio, il dipartimento dell’energia americano, stanziando fondi per investire nello sviluppo della tecnologia delle batterie, con un programma quinquennale specifico, mirato a quintuplicare l’autonomia delle batterie rispetto al loro valore attuale. Il risultato sono esperimenti diversificati, tentativi tecnologicamente molto avanzati che, nel contempo, risultano anche molto promettenti. Vediamolo insieme.
L’utilizzo dei nano-cristalli
Le batterie, e qui probabilmente diremo cose che già sapete, convertono energia sotto forma di processo chimico in energia elettrica, sostanzialmente mediante portatori che sono elettroni. Le batterie agli ioni di litio oggi lavorano in maniera tale che gli ioni si spostino secondo gradiente, durante il funzionamento, oppure al contrario, durante il caricamento.
Gli elettrodi sono tipicamente realizzati con materiali come la manganese, la grafite oppure il cobalto ed anche il nichel. La scelta dipende dal fatto che questo tipo di materiali non assorbe tutti gli ioni. Altra soluzione per gli elettrodi è lo stagno, un materiale migliore da un certo punto di vista, ma i tin-crystal sono addirittura tre volte più grandi degli elettrodi che noi utilizziamo al momento, durante il processo di assorbimento degli ioni, mentre si restringono quando essi vengono rilasciati.
Cioè sostanzialmente si comportano come una spugna. Bisogna, quindi, gestire il cambiamento volumetrico e a Zurigo, in particolare nel Laboratorio di Chimica Inorganica del celeberrimo istituto ETH, si stanno sviluppando elettrodi tin-crystal molto sottili sfruttando nanomateriali. Il vantaggio è che gli ioni possono essere assorbiti e rilasciati in maniera più efficace, migliorando la resa complessiva, ivi compresa la capacità della batterie.
Batteria metal-air
Sembra un genere musicale ma non lo è affatto. Gli elettrodi di metallo delle batterie nella categoria metal-air reagiscono con l’ossigeno presente nell’aria, piuttosto che all’interno di un liquido, per produrre corrente elettrica. Il materiale che sembra più promettente nell’impiego per la realizzazione degli elettrodi sembra essere il litio insieme col sodio ma l’alluminio e lo zinco sono stati anche presi in considerazione all’interno delle ricerche. Le batterie zinco-aria, come la ZA675DP6 di Renata, sono già disponibili sul mercato.
Anche se lo sviluppo di batterie tipo Li-air è ancora in uno stadio pressoché embrionale, la tecnologia sembra essere molto promettente dal momento che i suoi specifici aspetti teorici prestazionali sembrerebbero suggerire che la capacità delle batterie potrebbe essere fino a 10 volte superiore a quella delle batterie che stiamo utilizzando. Questa possibilità piace molto ma avrebbe effetti sull’intero mercato mondiale.
Le batterie sodio-aria, invece, stando ai risultati ottenuti, sembrerebbero avere una capacità teorica più bassa ma potrebbero essere più stabili e più facili da costruire e più efficienti delle batterie agli ioni di litio che utilizziamo oggi. Questa sembrerebbe essere la realizzazione tecnologica più stabile ma in ogni caso le batterie basate su sodio accumulerebbero più energia di quelle basate su litio.
Si profila, dunque, una soluzione di compromesso, come siamo abituati a considerare praticamente sempre.
Liquid metal
Ambri è una società, nello specifico una start-up del MIT, il Massachusetts Institute of Technology, supportata nientedimeno che da Bill Gates, che ha sviluppato una batteria basata su una soluzione elettrolitica salina ai “lati” della quale ci sono due strati di metallo liquido (magnesio e antimonio).
La differenza nella composizione tra gli elettrodi metallici, di cui uno a bassa densità, negativo, e l’altro positivo ad alta densità, crea la differenza di potenziale.
La tecnologia pare mirata alle applicazioni di storage dell’energia all’interno delle power grid allo scopo di rendere più efficiente il sistema. Per sopportare questa ricerca, il dipartimento dell’energia americano è intervenuto stanziando quasi 7 milioni di dollari.
C’è altro?
Sì, per nostra fortuna la ricerca non si ferma qui. Quelle che abbiamo visto, infatti, sono soltanto alcune delle possibilità che esistono. Altre soluzioni comprendono tecnologie che impiegano litio e zolfo, per esempio, con una densità di energia che potrebbe essere compresa tra 3 e 5 volte quella attuale, e addirittura l’utilizzo di biobatterie basate nientedimeno che sullo zucchero, pronte a dimostrare che la tecnologia verde potrebbe addirittura sostituire le batterie elettrochimiche.
Conclusioni
Non è una novità, si tratta di ciò che normalmente succede: quando arriva il limite oltre il quale la tecnologia non tiene più il passo con le esigenze del mercato, se ne cerca una nuova. Le batterie al litio sono state per un buon decennio la soluzione migliore sulla quale potessimo contare. Si sono dimostrate affidabili, durature, versatili, capaci di rendersi sostanzialmente indispensabili. Hanno dato da studiare a tante persone diverse sia nell’ambito del miglioramento delle prestazioni sia nell’ambito delle evoluzioni future. Ma oggi i loro limiti stanno diventando troppo grandi e le proposte avanzate, almeno fino a questo momento, sembrano preannunciare l’alba di un nuovo decennio energeticamente più interessante.
Dal canto nostro, come tecnici, possiamo soltanto plaudere a questa soluzione. E, come utenti, ne trarremo certamente grandi vantaggi.
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