Le batterie sono dispositivi elettrochimici che immagazzinano energia sotto forma di energia chimica, convertendola in energia elettrica quando necessaria. Utilizzate in un’ampia gamma di applicazioni, dalle auto elettriche ai dispositivi mobili, fino alle reti elettriche, le batterie sono al centro della rivoluzione tecnologica ed energetica moderna. Esistono vari tipi di batterie, ciascuno con caratteristiche chimiche, prestazionali e applicative specifiche.
Storia
Il principio di accumulare e generare elettricità risale agli studi di Luigi Galvani e Alessandro Volta nel XVIII secolo. Il primo prototipo di batteria, la pila voltaica, è stato inventato da Volta nel 1800. Questa pila era costituita da dischi di zinco e rame separati da carta imbevuta in una soluzione salina. Da allora, i progressi nella scienza dei materiali e nella chimica hanno portato allo sviluppo di una varietà di batterie con tecnologie differenti.
Principio di funzionamento
Le batterie sono composte da una o più celle elettrochimiche, ognuna delle quali contiene due elettrodi: l’anodo (elettrodo negativo) e il catodo (elettrodo positivo), separati da un elettrolita. Durante il funzionamento, una reazione chimica all’interno della cella provoca il movimento di elettroni dall’anodo al catodo attraverso un circuito esterno, generando così una corrente elettrica utilizzabile.
Le reazioni che avvengono nelle batterie sono generalmente di due tipi:
- Ossidazione presso l’anodo, che libera elettroni.
- Riduzione presso il catodo, che accetta elettroni.
Tipologie di batterie
Le batterie possono essere classificate in due grandi categorie:
- Batterie Primarie: Sono monouso e non ricaricabili. Una volta esaurite, devono essere smaltite. Tipici esempi sono le batterie alcaline (utilizzate in torce, telecomandi e altri dispositivi).
- Batterie Secondarie: Sono ricaricabili e possono essere utilizzate più volte. Esempi comuni includono le batterie al litio-ion, piombo-acido, e nichel-metallo idruro.
Ecco una panoramica delle batterie più comuni:
Batterie Alcaline
Queste batterie, tipicamente non ricaricabili, utilizzano una reazione tra zinco e ossido di manganese. Sono economiche e adatte a dispositivi a bassa richiesta energetica.
Batterie al Piombo-Acido
Inventate nel 1859 da Gaston Planté, queste batterie sono utilizzate principalmente nei veicoli. Si caratterizzano per un basso costo e una capacità di fornire forti correnti di avvio, ma presentano un peso elevato e una minore densità energetica rispetto alle batterie moderne.
Batterie al Nichel-Cadmio (NiCd)
Queste batterie ricaricabili utilizzano una reazione elettrochimica tra nichel e cadmio. Sebbene offrano buone prestazioni, l’uso del cadmio (tossico) ne ha limitato l’applicazione per ragioni ambientali.
Batterie al Nichel-Metallo Idruro (NiMH)
Le batterie NiMH hanno sostituito in parte quelle al nichel-cadmio grazie alla loro capacità maggiore e alla minore tossicità. Vengono usate in dispositivi portatili, come fotocamere e giocattoli.
Batterie agli ioni di Litio (Li-ion)
Queste batterie ricaricabili ad alta densità energetica sono molto diffuse in dispositivi elettronici portatili e veicoli elettrici. Usano una reazione tra litio e ossido di metallo, con un elettrolita liquido. Sono leggere, efficienti e possono essere ricaricate molte volte, ma sono sensibili alla temperatura e possono incendiarsi in caso di danni o surriscaldamento.
Batterie ai polimeri di Litio (LiPo)
Simili alle batterie agli ioni di litio, queste batterie utilizzano un elettrolita in forma di gel. Sono più sicure e flessibili in termini di forma, ma più costose, quindi usate principalmente in applicazioni specifiche come droni e smartphone.
Batterie allo Stato Solido
Un’innovazione recente che sostituisce l’elettrolita liquido con uno solido, rendendole più sicure e resistenti. Offrono un potenziale maggiore in termini di densità energetica e sicurezza.
Parametri principali delle batterie
- Densità energetica: Misura la quantità di energia che può essere immagazzinata per unità di peso (Wh/kg) o volume (Wh/L). Le batterie al litio presentano una densità energetica elevata rispetto ad altri tipi.
- Durata del ciclo: Indica il numero di cicli di carica-scarica che una batteria può sostenere prima di perdere capacità in modo significativo.
- Efficienza di carica-scarica: Misura l’efficienza energetica del processo di ricarica. La maggior parte delle batterie ricaricabili presenta un’efficienza del 70-90%.
- Autoscarica: Indica la perdita di carica nel tempo quando la batteria non è in uso. Le batterie al nichel-cadmio, per esempio, tendono ad avere una maggiore autoscarica rispetto a quelle al litio.
- Vita utile: Durata complessiva della batteria in anni. Varia a seconda del tipo e delle condizioni di utilizzo.
Applicazioni delle batterie
- Dispositivi Portatili: Quasi tutti i dispositivi portatili, come telefoni cellulari, tablet, laptop e strumenti medici, fanno uso di batterie, generalmente al litio per la loro alta densità energetica.
- Veicoli Elettrici: Le auto elettriche e ibride utilizzano batterie al litio e, in alcuni casi, batterie al nichel-metallo idruro, grazie alla loro capacità di fornire energia prolungata e cicli di ricarica rapidi.
- Sistemi di Accumulo Energetico Stazionario: Utilizzati per immagazzinare energia rinnovabile (come l’energia solare o eolica) e stabilizzare la rete elettrica. Le batterie al litio e le batterie al piombo-acido sono tra le più usate in queste applicazioni.
- Applicazioni Mediche: Molti dispositivi impiantabili (come pacemaker) utilizzano batterie miniaturizzate con vita utile prolungata per garantire prestazioni affidabili.
Riciclo e smaltimento delle batterie
Il corretto smaltimento delle batterie è essenziale per evitare l’inquinamento. Alcuni materiali utilizzati, come il piombo e il cadmio, sono altamente tossici e possono contaminare l’ambiente. Attualmente, il riciclo delle batterie è una priorità, soprattutto per quelle al litio e al piombo-acido, grazie al recupero di materiali preziosi come litio, nichel e cobalto.
Innovazioni e futuro
Le ricerche attuali mirano a migliorare le prestazioni delle batterie in termini di densità energetica, sicurezza e costi. Le tecnologie emergenti includono:
- Batterie allo Stato Solido: Offrono maggiore sicurezza e potenziale densità energetica superiore, ma i costi di produzione restano elevati.
- Batterie al Litio-Zolfo e al Litio-Aria: Promettono densità energetiche più elevate, ma presentano problemi di stabilità e durata.
- Batterie a Flusso: Ideali per lo stoccaggio di energia su larga scala, utilizzano una soluzione elettrolitica fluida, il che permette una vita utile molto lunga.
Una scoperta rivoluzionaria nel campo delle batterie agli ioni di litio permetterà ai veicoli elettrici di passare da batteria completamente scarica all’80% di carica in soli 15 minuti. Questo traguardo, raggiunto dai ricercatori dell’Università di Waterloo, rappresenta un notevole passo avanti rispetto all’attuale standard di settore che richiede quasi un’ora di ricarica, persino nelle stazioni di ricarica rapida.
La vera innovazione non si limita alla velocità di ricarica: le batterie sviluppate con questa nuova tecnologia possono sopportare fino a 800 cicli di ricarica, una durata mai raggiunta prima dalle batterie per veicoli elettrici attualmente in commercio. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Advanced Science.
“Il nostro obiettivo è democratizzare i veicoli elettrici, rendendoli accessibili non solo a chi ha grande disponibilità economica,” spiega il professor Yverick Rangom del Dipartimento di Ingegneria Chimica. “Realizzando batterie più compatte, che si ricaricano più velocemente e durano più a lungo, riusciamo a ridurre significativamente il costo complessivo del veicolo.”
“In questo modo,” continua Rangom, “i veicoli elettrici diventano una scelta concreta per molte più persone, compresi coloro che non dispongono di un punto di ricarica domestico o che abitano in condominio. Inoltre, questa innovazione aumenterà il valore dell’usato nel mercato dei veicoli elettrici, rendendo la mobilità elettrica davvero alla portata di tutti.”
L’innovazione affronta due delle principali preoccupazioni degli automobilisti: la cosiddetta “ansia da autonomia”, ovvero il timore di rimanere senza energia durante lunghi tragitti senza trovare punti di ricarica, e l’incertezza sull’affidabilità dei veicoli elettrici usati. La capacità di sopportare fino a 800 cicli di ricarica offre infatti maggiori garanzie agli acquirenti di auto elettriche di seconda mano sullo stato di salute della batteria.
Dal punto di vista tecnico, la svolta riguarda la riprogettazione dell’anodo, uno dei due elementi fondamentali di ogni batteria insieme al catodo. Il team di ricerca ha sviluppato un metodo innovativo per fondere tra loro le particelle di grafite, materiale tradizionalmente utilizzato nell’anodo, migliorandone significativamente la conducibilità elettrica. Questa nuova architettura consente agli ioni di litio di muoversi più rapidamente, eliminando i tipici problemi di degradazione della batteria e i rischi per la sicurezza solitamente associati alla ricarica veloce.
Un aspetto particolarmente interessante di questa innovazione è che, pur modificando l’architettura dell’anodo, continua a utilizzare i materiali tradizionali delle batterie agli ioni di litio, facilitando così l’integrazione nei processi produttivi esistenti.
“Non abbiamo reinventato la ruota in termini di materiali,” precisa il professor Michael Pope, co-direttore dell’Ontario Battery and Electrochemistry Research Center dell’UWaterloo. “Abbiamo piuttosto ottimizzato la disposizione delle particelle e migliorato le funzioni dei leganti che le tengono unite, introducendo proprietà all’avanguardia nel trasferimento di elettroni, ioni e calore. Questo approccio garantisce che la tecnologia sia scalabile e implementabile sulle attuali linee di produzione, offrendo una soluzione economicamente vantaggiosa per i produttori di batterie.”
Il team di ricerca sta ora concentrando i propri sforzi sull’ottimizzazione del processo produttivo per preparare la tecnologia a un’adozione su larga scala. Sono in corso test sui prototipi per valutare le prestazioni e suscitare l’interesse degli operatori del settore.
“La nostra priorità è garantire che questa soluzione sia non solo efficace ma anche scalabile a livello industriale,” sottolinea Rangom, che guida la Battery Workforce Challenge. “È fondamentale che possa essere implementata utilizzando le infrastrutture esistenti, sia per quanto riguarda la produzione delle batterie che per le stazioni di ricarica.”
Yverick Rangom et al, Covalent Carbide Interconnects Enable Robust Interfaces and Thin SEI for Graphite Anode Stability under Extreme Fast Charging, Advanced Science (2024). DOI: https://dx.doi.org/10.1002/advs.202408277
Catodo al seleniuro di cromo migliora le prestazioni delle batterie agli ioni di potassio
Ulteriori informazioni: Weihao Li et al, Reversible K-ion intercalation in CrSe2 cathodes for potassium-ion batteries: combined operando PXRD and DFT studies, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI: https://dx.doi.org/10.1039/D4TA05114A
Un’importante scoperta nella scienza dei materiali potrebbe segnare un punto di svolta per lo sviluppo di una nuova generazione di batterie più economiche e sostenibili. Un team internazionale di ricercatori, guidato da chimici dell’Università di Glasgow e da esperti dell’Istituto Helmholtz di Ulm, ha infatti creato un nuovo catodo per batterie agli ioni di potassio, utilizzando un composto di cromo e selenio.
Questa scoperta rappresenta un passo avanti verso la realizzazione di batterie agli ioni di potassio come alternativa economicamente vantaggiosa ai sistemi agli ioni di litio, grazie all’abbondanza naturale del potassio e alle sue proprietà favorevoli, tra cui una maggiore velocità di ricarica. I ricercatori credono che, in futuro, queste batterie possano essere più economiche e facili da produrre rispetto alle attuali batterie al litio, aprendo possibilità significative per lo stoccaggio di energia rinnovabile e altre applicazioni sostenibili.
Il dott. Alexey Ganin, dell’Università di Glasgow, autore principale dello studio e capo del gruppo di ricerca di Elettrochimica su Solidi (GECOS), ha dichiarato: “Le batterie agli ioni di litio, ampiamente adottate in dispositivi come smartphone e auto elettriche, offrono ottime prestazioni. Tuttavia, il litio è relativamente raro e, di conseguenza, un elemento strategico. La crescente domanda di batterie e l’alta intensità energetica della produzione di litio lo rendono ancora più critico dal punto di vista economico e ambientale.”
Il Potenziale delle Batterie agli Ioni di Potassio
Il potassio, al contrario del litio, è un elemento molto più abbondante e facilmente accessibile, che non necessita di processi estrattivi ad alto impatto ambientale. Le batterie agli ioni di potassio potrebbero quindi rappresentare un’alternativa sostenibile e meno costosa per l’accumulo di grandi quantità di elettricità. Inoltre, potrebbero consentire di riservare il litio per applicazioni ad alta intensità energetica, come i veicoli elettrici, mentre il potassio, con la sua disponibilità su larga scala, potrebbe essere destinato ad usi stazionari come l’accumulo di energia rinnovabile.
Alcuni dei migliori progetti attuali di batterie agli ioni di potassio utilizzano catodi a base di Bianco di Prussia, un materiale conduttivo che migliora le prestazioni della batteria. Tuttavia, il design di questi catodi è complicato dalla necessità di combinare il Bianco di Prussia con carbonio per aumentarne la conduttività.
Innovazione e Performance del Catodo in Seleniuro di Cromo
L’articolo pubblicato sul Journal of Materials Chemistry A descrive come il team abbia sviluppato un catodo al seleniuro di cromo, un materiale naturalmente conduttivo che consente di ridurre il contenuto di carbonio a meno del 10%, migliorando significativamente l’efficienza. Questo nuovo catodo ha raggiunto una capacità di 125 milliampere-ora per grammo, molto vicina alla capacità teorica massima di 127 milliampere-ora per grammo. Questo valore è estremamente competitivo e indica che il materiale ha un grande potenziale per competere con le attuali tecnologie basate sul litio.
Il seleniuro di cromo presenta una struttura stratificata che facilita il movimento degli ioni di potassio tra i suoi strati durante le fasi di carica e scarica. Questa caratteristica permette alla batteria di mantenere fino all’85% della propria capacità in condizioni di laboratorio, anche durante cicli di carica e scarica ad alta velocità, evidenziando un’ottima stabilità e un’efficienza elevata per utilizzi prolungati.
Prossimi Passi: Ottimizzazione degli Elettroliti
Il prossimo obiettivo dei ricercatori è identificare un elettrolita in grado di migliorare ulteriormente le prestazioni di queste batterie. Secondo il dott. Ganin, “I risultati ottenuti sono promettenti, ma crediamo che le prestazioni della batteria possano essere ulteriormente ottimizzate con un elettrolita adeguato. Mentre gli elettroliti per le batterie agli ioni di litio sono facilmente reperibili e di uso consolidato, le batterie agli ioni di potassio necessitano ancora di sviluppo per ottenere elettroliti specifici e ottimizzati.”
La ricerca mira a identificare elettroliti che garantiscano un’elevata stabilità elettrochimica e una conduttività ottimale per il potassio, migliorando l’efficienza energetica della batteria. Il team è intenzionato a collaborare con esperti di robotica per esplorare migliaia di potenziali combinazioni chimiche, utilizzando sistemi automatizzati per identificare il candidato migliore da integrare nella batteria.
Implicazioni per il Futuro dell’Energia Sostenibile
Questa innovazione nelle batterie agli ioni di potassio potrebbe rivoluzionare l’industria dello stoccaggio energetico, rendendolo più accessibile e sostenibile. Potrebbe essere un componente chiave nella transizione verso fonti di energia rinnovabile e nell’implementazione di reti di accumulo stazionario per sistemi di produzione eolica e solare, oltre a ridurre la dipendenza globale dal litio, riservandolo ad applicazioni dove è insostituibile. La ricerca, quindi, segna un passo fondamentale verso un futuro energetico più sicuro, sostenibile e accessibile.