È possibile costruire più piccoli ma a lungo

Le batterie agli ioni di litio sono ormai diventate indispensabili per le famiglie di tutto il mondo. Grazie al loro eccellente accumulo di energia, alla loro leggerezza e al potenziale di ricarica, queste batterie stanno ora trovando il loro utilizzo dilagante nei veicoli elettrici (EV) e in altri dispositivi domestici di accumulo di energia.

Ma è possibile costruire batterie agli ioni di litio più piccole e di lunga durata con capacità uguale o superiore? La risposta è si. I ricercatori di tutto il mondo stanno ora lavorando per aumentare la capacità delle batterie agli ioni di litio e aprire la strada per renderle più leggere e più piccole.

Queste batterie comprendono due terminali: un catodi (terminale di carica positiva) e un anodo (terminale di carica negativa), un elettrolita (un elemento semifluido) e un separatore a metà. Di solito, il lato catodico è costituito da litio, mentre l'anodo è costituito da grafite. L'intero funzionamento di queste batterie agli ioni di litio ruota attorno al movimento degli ioni di litio e degli elettroni durante la carica e la scarica.

Queste sono anche chiamate batterie al litio-ossigeno. Possono immagazzinare dieci volte più energia rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Le loro capacità energetiche sono paragonabili all’energia offerta dai combustibili fossili. Tuttavia, devono ancora diventare una soluzione praticabile da utilizzare commercialmente.

Secondo la progettazione, in queste batterie, uno degli elettrodi è costituito da litio, mentre l'altro lato è costituito da un elettrodo a diffusione di gas. Quando vengono utilizzate queste batterie, gli ioni di litio si spostano dal catodo attraverso l'elettrolita verso l'anodo, dove si combina con l'ossigeno, forma ossido di litio e genera elettricità.

Tuttavia, la buona notizia è che un gruppo di ricercatori sta lavorando per riuscirci. Un team dell’Università di Oldenburg in Germania ha iniziato a lavorare per prolungare la durata di queste batterie e rendere queste batterie all’ossigeno e al litio una realtà. Il progetto è stato denominato Materiali e componenti alternativi per batterie aprotiche al litio-ossigeno: chimica e stabilità dei componenti inattivi (AmaLiS 2.0). Il Ministero federale dell'Istruzione e della Ricerca ha concesso al team del progetto 1,1 milioni di euro.

Il team sta lavorando per testare una nuova idea in cui hanno pianificato di separare il catodo e l'anodo utilizzando una membrana rivestita su entrambi i lati. Inoltre, il team vuole utilizzare due elettroliti diversi per i due lati della batteria. Infine, vogliono provare anche il carburo di titanio come materiale per uno degli elettrodi.

Oltre ai lavori sulle batterie al litio-ossigeno, diversi ricercatori, veicoli elettrici e altre aziende stanno lavorando per sostituire la grafite sull’anodo con il silicio, un altro elemento cruciale. Il silicio ha il vantaggio di sostenere gli ioni di litio dieci volte più peso della grafite quando utilizzato in un anodo.

Ma ci sono ostacoli tecnici che ne impediscono l’utilizzo nonostante i suoi vantaggi. Innanzitutto, il suo utilizzo è spesso ritenuto responsabile dell’espansione del volume dell’anodo quando caricato con ioni di litio, che spesso porta alla frattura del materiale. È attribuito alla contrazione ed espansione dell'anodo con l'utilizzo del silicio.

Tuttavia, la buona notizia è che i ricercatori stanno lavorando per realizzare una svolta in questa tecnologia. Ad esempio, General Motors e OneD Battery Sciences stanno lavorando su un anodo nanotecnologico al silicio. Il team ha affermato che queste batterie ristrutturate sarebbero state utilizzate nel SUV Mercedes Classe G entro la fine del 2026. Allo stesso modo, Group14 Technologies ha promesso di installare la batteria alimentata al silicio nella sua Porsche EV entro il 2024.

Secondo i ricercatori, il silicio ha caratteristiche uniche come la sua capacità di lunga durata e la ricarica rapida, che possono rendere i futuri veicoli elettrici più convenienti, efficaci e persino più piccoli. Inoltre, data la sua grande abbondanza, il suo utilizzo come alternativa alla grafite può anche rendere i produttori indipendenti dalla grafite, che si trova ancora in pochissimi paesi come la Cina.

In precedenza, anche il marchio di mega veicoli elettrici Tesla aveva tentato di aumentare la capacità delle sue batterie aggiungendo un magro 5% di silicio all'anodo della batteria. Inoltre, molti altri ricercatori e aziende stanno investendo in ricerca e sviluppo per utilizzare il silicio al posto della grafite per ridurre la dipendenza dalle importazioni e migliorare l’efficienza delle batterie agli ioni di litio.