Le ricerche e gli ultimi progressi per le super batterie
La batteria, pedina fondamentale dell’impianto
Non si può negare: i sistemi d’accumulo sono uno degli assi portanti delle energie rinnovabili, così come rappresentano la vera sfida per le auto elettriche. Da questo fronte, arrivano buone notizie, sollecitate da una serie di investimenti in ricerca che hanno pochi precedenti nel mondo dell’industria. La batteria “perfetta” potrebbe essere una conquista non così lontana.
Le due strade percorse dagli scienziati
In effetti sono essenzialmente due le scoperte per una batteria di più lunga durata nel tempo: una permetterebbe di sfruttare meglio l’anodo, impedendo che si intasi di idrogeno; la seconda di rendere più performante il catodo, rendendolo più poroso. In sostanza, si lavora sul decadimento e sulla capacità.
Le batterie e il fotovoltaico: come funziona
Energia nella nostra “dispensa” di casa
Come scriviamo spesso, i sistemi di accumulo sono importanti nei conti economici di chi ha installato dei pannelli fotovoltaici. Il processo è semplice e intuitivo: gli impianti di case e aziende producono energia gratuita che viene conservata nella batteria e può così essere sfruttata nei momenti di necessità, ad esempio di notte. Quell’energia gratuita, quindi, non viene immessa nella rete elettrica ma utilizzata per alimentare le pompe di calore per il riscaldamento o il raffrescamento, per la parte elettrica delle caldaie ibride, per le colonnine di ricarica dei veicoli elettrici. Oltre, naturalmente, all’alimentazione di tutti gli elettrodomestici o all’illuminazione degli ambienti.
I sistemi d’accumulo e la rete elettrica
Ma c’è un altro vantaggio che viene spesso trascurato e che riguarda un sistema più ampio di quello di un’abitazione o di un’impresa: le reti elettriche. Batterie migliori, infatti, porteranno a un miglioramento del sistema elettrico: le reti saranno meno sovraccariche e l’energia gratuita potrà restare “sul posto”, senza dover fare percorsi inutili.
La storia recente degli accumulatori
Si parte dai telefoni portatili
I più anziani sanno bene qual è il momento in cui si cominciò a parlare delle batterie e quando se ne comprese l’importanza: l’arrivo dei telefoni portatili alla fine degli anni ottanta. Nella memoria di molti ci sono anche gli apparecchi telefonici da un paio di chili, con una sorta di “mattoncino” come batteria, una soluzione che era davvero azzardato definire “telefono portatile”. Fu in quel periodo che le batterie al litio-ioni entrarono in commercio, dopo una trentina di anni di complesso sviluppo, giusto in tempo per dare una mano alla nascente industria dell’elettronica portatile. Senza le batterie al litio, gli smartphone avrebbero dovuto soddisfare le loro non modeste necessità energetiche con pesanti batterie al nickel-cadmio, contenenti metalli tossici come quelle al mercurio, o elementi preziosi come quelle all’argento. Insomma, la rivoluzione digitale sarebbe stata molto meno facile di quanto è stata grazie al litio.
Si accelera con le auto elettriche
La seconda impresa compiuta da questi accumulatori, naturalmente, comincia invece una ventina di anni fa, quando hanno consentito la nascita di auto elettriche con prestazioni finalmente comparabili a quelle convenzionali: la prima fu la Nissan Altra, venduta in 200 esemplari in California, che aveva una batteria da 32 kWh, circa 200 km di autonomia, si caricava in 5 ore e costava 60mila dollari di allora.
La lotta contro il decadimento
La perdita di capacità della batteria
Sulla rivista Science, la pubblicazione di riferimento nel mondo della scienza, in questi giorni è arrivata la spiegazione sulla progressiva perdita di capacità delle batterie. Una teoria che ci fornisce il chimico Michael Toney, dell’Università del Colorado: “Stavamo cercando di capire perché le batterie al litio, che al catodo hanno metalli diversi dal cobalto, come nickel o magnesio, tendano a scaricarsi prima, quando abbiamo notato un fenomeno che con l’autoscarica c’entra poco, ma ha molto a che fare con la perdita di capacità”.
Un “intruso” al posto del litio
Analizzando il flusso degli ioni all’interno della batteria durante il suo funzionamento, Toney e colleghi, hanno scoperto che c’è un intruso che occupa il posto del litio nell’anodo.
“Quando la batteria si scarica, gli ioni litio lasciano l’anodo, di solito una ‘spugna’ di grafite, e portano la loro carica elettrica al metallo che trovano nel catodo passando attraverso un elettrolita liquido. Ma quando si innesca il percorso inverso, caricando la batteria, dall’elettrolita liquido fuoriescono ioni idrogeno che vanno a occupare permanentemente molti dei punti lasciati liberi dagli ioni litio nell’anodo, impedendogli di tornare indietro e accumulare energia”.
Sarebbe questa la causa della perdita di capacità delle batterie: la perdita di ioni litio che non tornano più all’anodo. “Si perdono perché – conclude Toney – i loro posti sono occupati dagli ioni idrogeno: sostituendo gli elettroliti che rilasciano idrogeno, con altri che non lo fanno, come quelli solidi oggi in sperimentazione, si dovrebbero ottenere batterie con una vita ben più lunga”.
Al lavoro anche l’intelligenza artificiale per la batteria perfetta
L’Ai migliora le batterie delle auto
Mentre possiamo attendere che le batterie aumentino la loro vita grazie alla nuova generazione di elettroliti, c’è un altro passo che si può fare subito e a costo zero: quello di migliorare il processo di ricarica delle auto elettriche per aumentare la capacità delle batterie e rimandarne il declino.
“Abbiamo compiuto centinaia di esperimenti su un gruppo di 186 batterie al litio, variando molti fattori nella corrente della loro prima carica. In seguito abbiamo continuato a caricarle e scaricarle in modo standard, fino a che la loro capacità non è scesa sotto l’80%”, ha spiegato l’ingegnere William Chueh, della Stanford University in California sulla rivista Joule. In genere la prima carica in fabbrica dura molte ore perché si usa una corrente di bassa potenza, ritenendo che in questo modo la batteria corra meno rischi di rovinarsi e abbia una vita più lunga.
Il responso dell’intelligenza artificiale
“E invece è vero il contrario. Facendo analizzare i dati degli esperimenti a un sistema a intelligenza artificiale, il responso è stato che il fattore che allunga di più la vita a una batteria è proprio che la sua prima carica avvenga rapidamente ad alta potenza, e non a bassa. Le batterie caricate in quel modo, sono durate una media di 2200 cicli, contro i 1500 delle altre, quindi un +50%”. La spiegazione è che una forte carica iniziale rende il catodo più poroso, e quindi più in grado di accettare ioni litio durante le successive scariche. Se è così, basterà aumentare la potenza della prima carica delle batterie in fabbrica, per avere già dispositivi di vita molto più lunga.
Le prospettive: passi da gigante nella ricerca
Per fotovoltaico, energie rinnovabili e auto elettriche le prospettive che si aprono con le nuove scoperte nell’ambito degli accumulatori sono davvero enormi. Si pensi solo a una “batteria perfetta”, così potente e duratura da alimentare un’abitazione senza aver mai la necessità di collegarsi alla rete elettrica. Uno scenario davvero futuribile, ma è vero che la ricerca sta compiendo passi da gigante. D’altra parte, negli anni ottanta chi avrebbe mai pensato che nel giro di un decennio avremmo portato i nostri telefoni nel taschino della camicia?
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