Tecnologie delle batterie che stanno cambiando il mondo

Vuoi guidare cinquecento miglia per un dollaro? Vuoi che il tuo smartphone renda grafica computerizzata di qualità console e ricarichi una volta a settimana? Vuoi essere in grado di utilizzare capi indossabili leggeri in stile Google Glass per settimane senza preoccuparti di caricarli?

Tutte queste grandi applicazioni tecnologiche sono in attesa di una migliore tecnologia della batteria. La tecnologia della batteria è cresciuta più lentamente rispetto ad altre tecnologie (come la velocità del processore e l'archiviazione del computer) ed è ora il lungo polo di tentazione in un numero impressionante di settori. Ci sono buone ragioni per credere che stiamo raggiungendo alcuni limiti fondamentali all'attuale tecnologia agli ioni di litio, e ci sono un certo numero di entusiasmanti tecnologie all'orizzonte. Oggi vedremo quattro delle opzioni più promettenti.

Le batterie migliori sono in grado di rendere le auto elettriche pratiche, distaccare i dispositivi mobili dall'ansia della carica e abilitare intere nuove classi di dispositivi indossabili leggeri e di lunga durata. Ecco come lo faranno:

3. Batterie a doppia emissione di carbonio

Oltre a non essere tanto densi di energia quanto vorremmo, ci sono altre serie limitazioni alla tecnologia esistente delle batterie agli ioni di litio, in particolare tempo di carica, volatilità e degredazione.

Le batterie agli ioni di litio richiedono tempo per essere caricate - spesso diverse ore, anche con la migliore tecnologia - e, sebbene probabilmente più sicure della benzina, si surriscaldano durante il funzionamento (in particolare le batterie ad alte prestazioni come quelle utilizzate nei veicoli elettrici). Se la dissipazione del calore non è gestita in modo appropriato, la reazione di fuga risultante può provocare incendi o addirittura un'esplosione.

A peggiorare le cose, il ciclo di scarica di carica delle batterie agli ioni di litio è distruttivo: dopo solo duecentocinquanta cicli di carica-scarica, le batterie agli ioni di litio hanno già perso circa il venti percento della loro capacità di archiviazione. Questo va bene per i mercati come gli smartphone, dove le persone sostituiscono i loro dispositivi ogni anno o due in ogni caso, ma è un problema per mercati come il veicolo elettrico, che probabilmente le persone vorranno usare per anni senza dover sostituire un componente della batteria tossico e costoso.

Ora, una società ha chiamato “Power Japan Plus” pensa di avere una soluzione, sotto forma di a “dual-carbonio” batteria. Questa tecnologia della batteria sostituisce l'anodo e il catodo della batteria (i terminali positivo e negativo, tipicamente costituiti da un metallo altamente reattivo come l'ossido di litio) con un semplice carbonio, che è piuttosto inerte. Il risultato è una batteria che non immagazzina molta più energia della tecnologia agli ioni di litio, ma risolve molti degli altri limiti delle batterie attuali.

Le batterie a doppio carbone possono caricarsi venti volte più velocemente rispetto alla tecnologia agli ioni di litio, non producono calore durante il funzionamento e hanno meno probabilità di infiammarsi. Inoltre si degradano molto più lentamente (sono buoni per circa tremila cicli). Poiché il carbonio è facilmente disponibile e chimicamente innocuo, è anche economico, relativamente non tossico e riciclabile.

Chris Craney, Chief Marketing Officer della compagnia, pensa che le batterie alla fine saranno un grosso problema per le auto elettriche: parlando all'Atlantico, ha detto,

“Abbiamo rivendicazioni ambiziose [...] Se c'è una società [veicolo elettrico] che vuole salire al livello Tesla, saremmo una buona compagnia con cui parlare. [...] Per essere audaci, siamo fiduciosi di essere una soluzione importante per l'attuale industria dei veicoli elettrici.”

L'azienda prevede di iniziare a produrre una serie iniziale di batterie quest'anno, da utilizzare principalmente in apparecchiature mediche.

2. Batterie litio-aria

Un altro approccio per aumentare la densità delle batterie è modificare la chimica in modo che la reazione generatrice di energia attiri l'ossigeno dall'atmosfera esterna (e produca ossigeno durante la ricarica), come nel caso delle batterie al litio-aria. Questa tecnologia viene perseguita da IBM tra gli altri come un santo graal finale della tecnologia delle batterie.

Usando l'ossigeno atmosferico invece di immagazzinare l'ossigeno nella batteria, è possibile aumentare drasticamente la densità di stoccaggio, offrendo in teoria guadagni di densità fino a quaranta volte, rispetto alle celle al litio convenzionali, portando a macchine elettriche che possono viaggiare per migliaia di chilometri a pagamento I prototipi esistenti hanno battuto le attuali celle agli ioni di litio di un fattore doppio. Queste densità sono vicine al limite teorico di ciò che può essere ottenuto da una batteria chimica.

Questa tecnologia della batteria è lontana (la IBM stima da 5 a 15 anni), ma in molti modi rappresenta il santo graal delle batterie chimiche - la migliore densità possibile per un dato peso. Le batterie ricaricabili al litio-aria possono competere con la benzina per la densità di energia, una cosa inaudita nella tecnologia delle batterie tradizionali. La pagina di IBM per il loro progetto di ricerca lo descrive così:

Oggi le auto elettriche possono viaggiare solo per circa 100 miglia con la tecnologia attuale della batteria, chiamata lithium-ion (LIB). [...] Riconoscendo ciò, IBM ha avviato il progetto Battery 500 nel 2009 per sviluppare un nuovo tipo di tecnologia delle batterie a litio-aria che dovrebbe migliorare di dieci volte la densità di energia, aumentando notevolmente la quantità di energia che queste batterie possono generare e immagazzinare. Oggi, i ricercatori IBM hanno dimostrato con successo la chimica fondamentale del processo di carica e ricarica per le batterie al litio-aria.

1. Ultracondensatori di grafene

Un altro approccio più speculativo per migliorare le prestazioni della batteria è quello di abbandonare completamente la parte "batteria" dell'idea. Un'alternativa alla tecnologia della batteria è ciò che è noto come condensatori: piastre cariche, separate da un resistore. L'elettricità può essere immagazzinata nel condensatore come un campo elettrostatico, e poi scaricata in seguito (pensa a creare una carica statica sul tuo corpo accarezzando un gatto e poi scaricando il tuo corpo in una maniglia).

I condensatori convenzionali hanno dei limiti seri alla quantità di carica che possono immagazzinare, così come quanto lentamente possono rilasciare quella carica. Tuttavia, utilizzando materiali come il grafene, che hanno aree di superficie enormemente alte per la loro massa e volume, è possibile creare celle con capacità e densità di energia enormi paragonabili alle batterie convenzionali.

Questi "ultracondensatori" non si degraderebbero ad ogni ciclo di carica e sarebbero in grado di caricarsi in pochi secondi. I prototipi esistenti non mostrano alcuna riduzione della capacità oltre 10.000 cicli di carica e mostrano una densità di energia paragonabile alle tradizionali batterie agli ioni di litio. I futuri miglioramenti della scienza dei materiali potrebbero spingere questi numeri ancora più in alto.

A breve termine, alcuni addetti ai lavori riferiscono che Tesla sta sviluppando un ultracondensatore di grafene che potrebbe caricare in pochi secondi e raddoppiare la portata delle loro auto elettriche a 500 miglia per carica. Elon Musk, da parte sua, ha citato l'idea prima:

“Se dovessi fare una previsione, penserei che ci siano buone probabilità che non si tratti di batterie, ma di super-condensatori.”

Tutte queste tecnologie hanno probabilmente un ruolo da svolgere, nel breve e nel lungo termine, mentre iniziamo a superare la tecnologia agli ioni di litio che utilizziamo da decenni. La transizione probabilmente non sarà del tutto elegante, o veloce come vorremmo, ma consentirà nuove applicazioni e tecnologie che cambieranno il mondo per decenni a venire.

Quale pensi che sarà la tecnologia energetica del futuro? Saranno batterie, condensatori o qualcos'altro? Condividi i tuoi pensieri nella sezione commenti qui sotto!

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