Tra nuovi elettrodi ed elettroliti
Ogni batteria ha una struttura pressoché simile (catodo, anodo, elettrolita liquido) ma l’area di applicazione finale ne determina richieste prestazionali ben precise che influiscono sulla scelta dei materiali, del design e sul processo produttivo. Ad esempio, le batterie delle auto elettriche è richiesta compattezza, leggerezza, elevata capacità e un’alta velocità di ricarica. Quelle impiegate nell’accumulo stazionario non hanno restrizioni sul fronte dell’ingombro o del peso ma devono essere il più economiche possibile. Una differenza cruciale ben evidenziata dal lavoro del gruppo materiali inorganici funzionali dell’Empa, in Svizzera. Come scrive di Anna Ettlin sul sito dell’ente, il team, sotto la guida di Maksym Kovalenko, sta sviluppando nuovi materiali per batterie del futuro più capaci, rapide o economiche e, in due studi differenti, spiega i progressi raggiunti sul fronte dell’elettromobilità e dello stoccaggio stazionario.
Nuovi materiali per le batterie dei veicoli elettrici
Le comuni batterie a ioni di litio possiedono solitamente un anodo in grafite e un catodo composto da un ossido misto di litio e altri metalli. Uno delle vie per aumentare la densità di energia di questi dispositivi (ossia quanta elettrica riesco ad immagazzinare) è agire sull’anodo, come spiega Kostiantyn Kravchyk, ricercatore Empa. “Con un anodo fatto di puro litio metallico invece che di grafite, potremmo immagazzinare molta più energia in una cella della stessa dimensione“, sottolinea lo scienziato.
Tuttavia, il litio metallico va incontro ad un problema ben noto: i cicli di carica e scarica portano alla formazione di dendriti, strutture ramificate aghiformi causate dell’accumulo di litio e capaci di danneggiare la cella. Una soluzione possibile? Batterie allo stato solido, in cui elettrolita è solido anziché liquido. Anche in questo caso, tuttavia, rimangono sfide considerevoli, tra cui la riduzione dell’area di contatto tra elettrodo ed elettrolita. Sfide a cui il gruppo Empa ha risposto attraverso la sintesi di un nuovo materiale per batterie allo stato solido.
Nel dettaglio Kravchyk e colleghi hanno impiegato una membrana doppio strato in ossido di litio lantanio e zirconio (LLZO) come elettrolita. Questo composto possiede un’elevata conduttività ionica e stabilità chimica. E il doppio strato – uno denso, l’altro poroso – permette da un lato di creare un’area di contatto molto ampia e dall’altro inibisce la crescita di dendriti. Lo studio su Cell Reports Physical Science (2023).
Materiali economici per batterie stazionarie
Approccio completamente diverso quello impiegato dal gruppo per migliorare l’accumulo di rete. “Il parametro più importante per lo stoccaggio stazionario è il prezzo”, spiega Kravchyk e ad alzare quello delle batterie a ioni di litio sono i materiali utilizzati per fabbricarle: litio, cobalto e nichel.
Per alleggerire la spesa, gli scienziati hanno usato per il loro catodo un composto del ferro: l’idrossifluoruro di ferro. E dal momento che i floruri hanno una scarsa conduttività, gli hanno regalato una struttura cristallina (attraverso un processo semplice e altrettanto economico) che aumenta la mobilità degli ioni. “Con la nostra batteria siamo riusciti a ottenere prestazioni paragonabili a un prezzo molto più basso”, afferma Kravchyk. “Siamo totalmente sorpresi che quasi nessuno fino ad ora abbia esplorato la possibilità di sviluppare la sintesi a basso costo di questo materiale promettente.” Lo studio su Advanced Materials (2023).