STATI UNITILe batterie al litio del futuro saranno più leggere, più sicure ed economiche

La diffusione delle batterie agli ioni di litio, presenti nella maggior parte degli accessori hi-tech come gli smartphone o gli smartwatch, negli ultimi decenni ha avuto una decisiva impennata dovuta al boom dell’uso di tali prodotti tecnologici. Ciò ha messo a dura prova la disponibilità mondiale di cobalto e nichel, i due metalli indispensabili per la fabbricazione delle attuali batterie, con un conseguente e naturale aumento dei costi.

Oggi, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno trovato una possibile soluzione all’impiego di materiali rari e costosi per la fabbricazione delle batterie al litio. Hanno infatti ideato un sistema di catodi ed elettrodi che non richiede l’impiego di cobalto e nichel, perché sostituisce l’elettrolita liquido con fluoruri di metalli di transizione a basso costo e un elettrolita polimerico solido. Si potrebbero quindi realizzare batterie al litio simili a quelle attuali e con le stesse funzioni, ma con materiali facili da reperire e decisamente più economici.

Il progetto al momento si può definire soltanto “promettente”, in quanto vi sono ancora alcuni problemi da risolvere. Come ha infatti spiegato Gleb Yushin, professore alla School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech: “gli elettrodi realizzati con fluoruri di metalli di transizione hanno da tempo mostrato problemi di stabilità e guasti nel breve termine, portando a un notevole scetticismo sulla loro usabilità nelle batterie di prossima generazione”. Ma lo stesso Yushin ritiene che tali ostacoli possano essere superati: “abbiamo dimostrato che se usati insieme a un elettrolita polimerico solido, i fluoruri metallici mostrano una notevole stabilità anche a temperature più elevate, e potrebbero portare a batterie agli ioni di litio più sicure, più leggere ed economiche”.

Nelle attuali batterie, l’energia viene rilasciata attraverso  il trasferimento di ioni di litio tra due elettrodi, cioè un catodo e un anodo. Il catodo è fatto con litio e metalli di transizione come cobalto, nichel e manganese e gli ioni fluiscono tra gli elettrodi attraverso un elettrolita liquido.

Ora, invece, i ricercatori della Georgia Tech hanno realizzato un nuovo tipo di catodo ricavato da materiale attivo di fluoruro di ferro e un nanocomposito elettrolita a polimero solido. I fluoruri di ferro hanno più del doppio della capacità di litio dei tradizionali catodi a base di cobalto o nichel e il ferro, inoltre, è 300 volte più economico del cobalto e 150 volte più economico del nichel.

Per fabbricare questo catodo, i ricercatori hanno pressato a caldo l’intera sua struttura per aumentarne la densità e ridurre eventuali vuoti. Le caratteristiche d’elettrolita così ottenuto sono principalmente due: la sua capacità di flettere e accogliere il volume del fluoruro di ferro, e la capacità di formare un’interfase molto stabile e flessibile con il fluoruro di ferro, risolvendo in questo modo il problema delle reazioni collaterali causate dal gonfiore quando si utilizza il fluoruro di ferro nelle batterie.

I ricercatori hanno testato diverse varianti delle nuove batterie a stato solido per analizzarne le prestazioni in oltre 300 cicli di carica e scarica a temperature di 50 gradi, riuscendo ad ottenere risultati migliori dei precedenti esperimenti. Lo studio in questione è stato pubblicato sulla rivista Nature Materials e ha ottenuto la sponsorizzazione dell’Army Research Office Nature. Il prossimo obbiettivo è quello di sviluppare elettroliti solidi di nuova concezione per permettere la ricarica rapida e per combinare elettroliti solidi e liquidi in progetti compatibili con le tecnologie di produzione attualmente utilizzate nelle fabbriche di batterie.