Innovazione tecnologica

Il “Santo Graal” dell’elettronica sarà fatto di vetro?

Ogni dispositivo elettronico ha bisogno di elettricità e al giorno d’oggi, con l’obiettivo della massima mobilità, dover dipendere da una parete con una presa di corrente non è più accettabile. Pertanto, trovare una batteria adeguata in grado di assicurare ai nostri dispositivi il funzionamento continuo è il “Santo Graal” dell’elettronica contemporanea. Tutti sono coinvolti in questa ricerca, dai costruttori di processori fino ai produttori di telefoni cellulari e al settore automotive. Le ultime scoperte ci porteranno più vicino a una rivoluzione tecnologica?

Autore: Marcin Bójko

Teoricamente, il principio di funzionamento della cella galvanica è semplice. Abbiamo due elettrodi immersi in un elettrolita. Il risultato delle reazioni chimiche tra gli elettrodi e l’elettrolita è la differenza dei potenziali da cui ricaviamo l’elettricità. Se la reazione chimica è anche reversibile (ovvero rilasciando la corrente nella direzione opposta possiamo invertire la reazione e ripristinare la cella alle condizioni iniziali), abbiamo a che fare con la cosiddetta cella secondaria, che è la batteria.

Gli elettrodi e l’elettrolita possono essere costituiti da diversi materiali. Per molti anni i materiali più diffusi sono stati il piombo e l’ossido di piombo, oltre all’acido solforico. Questi tipi di celle sono presenti in ogni automobile. Le classiche batterie al piombo presentano numerosi vantaggi: possono essere caricate e scaricate con alta corrente, sono resistenti e semplici da utilizzare e allo stesso tempo i materiali di produzione sono economici e non richiedono dispositivi di carica sofisticati. Lo svantaggio più evidente è il peso notevole, che ne impedisce l’impiego nei dispositivi mobili o nell’aviazione, sebbene fino ad ora siano stati utilizzati con successo nei sommergibili, un mezzo in cui il peso non rappresenta certo un problema.

A causa degli svantaggi delle celle al piombo, gli scienziati hanno iniziato a sviluppare nuovi metodi per immagazzinare elettricità nelle batterie, innescando l’evoluzione delle batterie nichel-cadmio e nichel-metallo idruro. Uno svantaggio significativo per queste celle è il cosiddetto effetto memoria, o “effetto pigrizia” (lazy-battery effect). Sembra che questo effetto produca la perdita di capacità della cella (in realtà accade che la significativa caduta di tensione viene interpretata dai sistemi di monitoraggio come l’indicazione che la batteria è completamente scarica). L’effetto pigrizia, a sua volta, consiste nella caduta di tensione nominale dovuta a uno scaricamento incompleto. Entrambi i problemi possono essere eliminati con un caricatore specializzato. Le celle di questo tipo devono essere scaricate completamente, in modo particolare nel caso dei primi cicli di carica e scarica. Questo processo è spesso definito “forming” e chi acquista un nuovo telefono cellulare per i primi giorni esaurisce completamente la batteria e solo allora inizia a ricaricarla, non sapendo che questa procedura danneggia le batterie agli ioni di litio o ai polimeri di litio che, in numerose applicazioni, hanno sostituito le batterie al nichel.

Un team di ingegneri guidato da John Goodenough, professore alla Cockrell School of Engineering, ha sviluppato una tecnologia innovativa per le celle delle batterie. (foto Università del Texas).

Le batterie a ioni di litio e a polimeri di litio offrono una maggiore densità di energia. È possibile ottenere più kilowatt all’ora per chilogrammo e litro di batteria rispetto alle celle di nichel, per non parlare del piombo. Questo vantaggio è innegabile. Un difetto altrettanto innegabile, tuttavia, è la necessità di complessi preparativi di carica, un’enorme vulnerabilità allo scaricamento eccessivo e, ancor peggio, la possibilità di corto circuito interno, con conseguente surriscaldamento e, in casi estremi, esplosione. Il surriscaldamento e il fumo che fuoriescono dalle celle dei Boeing 787 e i casi di telefoni cellulari autoinfiammabili sono i casi più noti su cui si basa la pessima reputazione di queste batterie.

Per lungo tempo gli ingegneri hanno cercato nuove soluzioni per colmare lacune e difetti delle celle al litio e magari, allo stesso tempo, produrre capacità e velocità di carica a un livello superiore. Recentemente, sulla rivista scientifica “Energy & Environmental Science” è stata presentata un’idea concepita dal team di John Goodenough, un professore della Cockrell School of Engineering all’Università del Texas di Austin. Questo scienziato novantaquattrenne vanta ottime credenziali: nel 1980 ha inventato il materiale attualmente utilizzato nei catodi delle batterie agli ioni di litio. Ora il suo team ha sviluppato una tecnologia innovativa per la costruzione di celle elettriche basate su un elettrolita solido amorfo, denominato “elettrolita di vetro”. Occorre sottolineare che il progetto del team di Goodenough è stato implementato da Maria Helena Braga dell’Università di Porto, in Portogallo. Goodenough ha suggerito il modo migliore di sfruttare le proprietà dell’elettrolita solido, che a sua volta ha generato un prototipo e un brevetto. Le proprietà della cella prototipo sembrano promettenti: presenta una capacità tre volte superiore rispetto a una batteria agli ioni di litio di dimensioni equivalenti. Consente un caricamento della batteria notevolmente più veloce, funziona a temperature fino a -20 gradi Celsius e nella fase di collaudo è stata sottoposta a 1.200 cicli di carica e scarica senza alcuna modifica della capacità, un aspetto che ne fa presagire una lunghissima durata.

La ricerca rivoluzionaria del team del professor John Goodenough è stata condotta da Maria Helena Braga dell’Università di Porto. (foto Università del Texas).

L’elettrolita solido presenta diversi vantaggi. Anzitutto non si verifica il fenomeno della dissociazione del metallo dall’elettrodo, che nelle batterie al litio porta alla creazione dei cosiddetti dendriti (ponti in metallo in grado di attivare dei corto circuiti e, di conseguenza, di far infiammare la batteria). In secondo luogo, è molto resistente dal punto di vista meccanico: le batterie agli ioni di litio o ai polimeri di litio possono infiammarsi a seguito di un’elevata forza d’impatto (riscontrata da molti modellisti in seguito all’atterraggio particolarmente difficoltoso di un elicottero o un aeroplano). Infine, tutto questo consente l’applicazione di metallo alcalino (litio o sodio negli elettrodi) che migliora radicalmente le proprietà elettriche delle batterie.

Nel caso delle batterie agli ioni di litio, il prototipo pronto per la produzione di massa è stato presentato nel 1985 e la prima cella prodotta in serie è stata commercializzata nel 1991. Da allora, le esigenze del mercato sono cresciute in maniera esponenziale, generando la domanda per un’introduzione più veloce di innovazioni.

Per i consumatori, la ricerca condotta alla Cockrell School of Engineering significa solo una cosa: possiamo aspettarci batterie migliori in tutti i dispositivi mobili, una portata maggiore e tempi di ricarica più brevi delle auto elettriche.

Condividi questo articolo

Argomenti correlati

Innovazione tecnologica Scienza

Leggi il successivo

Read Full Story