Grazie alla sostituzione del catodo solido con l’ossigeno, le celle litio-aria promettono una densità energetica fino a cinque volte superiore – di CARLO PLATELLA
Il Sacro Graal ricercato dall’industria dell’auto elettrica è una batteria ad elevata densità energetica, in grado di stoccare grandi quantitativi di energia in un peso ridotto. Le celle agli ioni di litio, la tecnologia attualmente più diffusa sul mercato, arrivano a valori di poco inferiori ai 300 Wh/kg, se si considerano ad esempio le celle 4680 di Tesla, reputate tra le migliori in circolazione. I carburanti fossili per contro, come benzina e diesel, si attestano su un ordine di grandezza oltre trenta volte superiore, nell’intorno dei 10000 Wh/kg. L’industria è così alla ricerca di nuove tecnologie che permettano alle batterie del futuro di ridurre questo divario. Una delle soluzioni di maggiore interesse nel campo della ricerca è quella delle celle litio-aria.
La tecnologia
Per comprendere in cosa la tecnologia litio-aria si differenzi da quella tradizionale, è opportuno prima fare una panoramica sul funzionamento di una cella elettrochimica, l’unità base delle batterie. Ogni cella si costituisce di due elettrodi, il catodo e l’anodo, sulla cui superficie avvengono le reazioni chimiche rispettivamente di riduzione e ossidazione. In sintesi, all’anodo gli atomi di litio cedono elettroni diventando ioni di litio positivi. Questi poi viaggiano attraverso una sostanza nota come elettrolita fino a giungere al catodo, dove riacquistano gli elettroni ceduti. Il flusso di elettroni viaggia così lungo un circuito che connette i due elettrodi, generando la corrente elettrica necessaria al funzionamento del motore.
Nelle celle litio-aria, il catodo non è più un elettrodo solido, ma è rimpiazzato dall’ossigeno trasportato da un flusso d’aria proveniente dall’esterno. L’ossigeno penetra in una struttura altamente porosa come una spugna, in genere realizzata in un materiale a base di carbonio come il grafene. Le molecole di ossigeno (O2) reagiscono con gli ioni positivi di Litio (Li+), dando vita a superossido di Litio (LiO2) o perossido di litio (Li2O2). La rimozione del catodo solido comporta un risparmio di peso che contribuisce ad aumentare la densità energetica, che può essere ulteriormente ottimizzata nel caso si scelga di sostituire l’elettrolita liquido con uno solido. Il risultato in questo caso sono delle batterie litio-aria allo stato solido. La ricerca si concentra sulla risoluzione dei problemi principali di questa tecnologia, come il rapido degrado della cella e l’elevato surriscaldamento, specialmente durante i processi di ricarica che ne comprometteno l’efficienza sprecando energia. Dall’industria però arrivano risultati promettenti.
Capacità fino a quattro volte superiore
Lo scorso gennaio la cooperativa giapponese tra il National Institute for Materials Science (NIMS), la SoftBank Corp. e la Ohara Inc. hanno annunciato di essere sulla buona strada per risolvere il problema del rapido degrado delle celle. La stessa cooperativa infatti nel 2021 aveva avviato lo sviluppo di celle litio-ossigeno con una densità di energia pari a 500 Wh/kg, decisamente maggiore rispetto ai 296 Wh/kg delle celle 4680 di Tesla agli ioni di litio. Mentre in precedenza si credeva che l’usura delle celle a base di aria fosse dovuta alle reazioni al catodo, dove si pensava che il cambio di fase dell’ossigeno provocasse delle sollecitazioni meccaniche eccessive, i ricercatori hanno notato che invece la responsabilità è dell’anodo. Si è così pensato di sviluppare uno strato di elettrolita solido da 6 micrometri di spessore da applicare all’anodo per proteggerlo dalla corrosione, senza comprometterne però la leggerezza.
Nel mese di aprile invece i ricercatori dell’Illinois Institute of Technology (IIT) e dell’ U.S. Department of Energy’s (DOE) Argonne National Laboratory hanno comunicato un altro importante traguardo. Controllando le reazioni chimiche tra ossigeno e litio così da ottenere ossido di litio (Li2O) al posto dei comuni superossidi e perossidi aiuta ad accrescere la densità energetica. Spiega il chimico Rachid Amide: “La reazione chimica del superossido o del perossido di litio involve solo uno o due elettroni per ogni molecola di ossigeno, mentre l’ossido di litio coinvolge quattro elettroni”. Aggiunge Larry Curtiss: “Con ulteriore sviluppo ci aspettiamo che il nostro nuovo design per la batteria litio-aria arrivi al record di densità energetica di 1200 Wh/kg. È quasi quattro volte meglio rispetto alle batterie agli ioni di litio”. Le celle testate inoltre non hanno evidenziato particolari problemi di degrado, dimostrandosi ancora stabili dopo mille cicli di carica e scarica.
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Gli sbocchi sul mercato
Sparse per il globo sono diverse le realtà che investono nella ricerca delle batterie litio-aria, come Toyota, IBM e Samsung. Le previsioni di mercato stimano inoltre che entro il 2031 le nuove batterie penetreranno l’industria con un CAGR (tasso annuo di crescita composto) del 10.5%. I traguardi della scienza d’altronde sono incoraggianti e sembra solo questione di tempo prima che una nuova tecnologia prenda il posto delle attuali celle agli ioni di litio. Le batterie a base di ossigeno sono tra le candidate.
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