Realizzata con materiali abbondanti e poco costosi e con carico e scarico velocissimi

GreenReport - Nel mondo vengono costruiti impianti eolici e solari sempre più grandi e, in contemporanea cresce rapidamente la necessità di sistemi di backup economici e su larga scala per fornire energia quando è notte e il vento non soffia. Le attuali batterie agli ioni di litio sono ancora troppo costose per la maggior parte di questi impianti e altre opzioni come le idropompe hanno bisogno di una topografia specifica che non è sempre è disponibile.

Il nuovo studio “Fast-charging aluminium–chalcogen batteries resistant to dendritic shorting”, pubblicato su nature da un team internazionale di ricercatori guidato da Quanquan Pang della School of Materials Science and Engineering della Peking University e da Donald Sadoway del Department of Materials Science & Engineering del Massachusetts Institute of Technology (MIT), presenta un nuovo tipo di batteria, realizzata interamente con materiali abbondanti e poco costosi, che potrebbe aiutare a colmare queso gap.

Al M IT spiegano che «La nuova architettura della batteria, che utilizza alluminio e zolfo come materiali per i suoi due elettrodi, con un elettrolita salino fuso in mezzo» e Sadoway aggiunge: «Volevo inventare qualcosa che fosse migliore, molto migliore, delle batterie agli ioni di litio per l’immagazzinamento stazionario su piccola scala e, in definitiva, per gli usi automobilistici». 

Oltre ad essere costose, le batterie agli ioni di litio contengono un elettrolita infiammabile, il che le rende tutt’altro che ideali per il trasporto. Così, Sadoway ha iniziato a studiare la tavola periodica, alla ricerca di metalli economici e abbondanti sulla Terra che potrebbero essere in grado di sostituire il litio ede evidenzia che «Il metallo commercialmente dominante, il ferro, non ha le giuste proprietà elettrochimiche per una batteria efficiente. Ma il secondo metallo più abbondante sul mercato – e in realtà il metallo più abbondante sulla Terra – è l’alluminio. Quindi, mi sono detto, beh, facciamolo come un fermalibri. Sarà in alluminio». Poi ha dovuto decidere con cosa accoppiare l’alluminio per realizzare l’altro elettrodo e che tipo di elettrolita mettere in mezzo per trasportare gli ioni avanti e indietro durante il carico e lo scarico. Il più economico di tutti i non metalli è lo zolfo, quindi è diventato il secondo materiale dell’elettrodo.

«Per quanto riguarda l’elettrolito – spiega ancora Sadoway – non avremmo usato liquidi organici volatili e infiammabili, che a volte hanno portato a pericolosi incendi nelle automobili e in altre applicazioni delle batterie agli ioni di litio». I ricercatori hanno testato alcuni polimeri ma alla fine sono passati a esaminare una varietà di sali fusi che hanno punti di fusione relativamente bassi, vicini al punto di ebollizione dell’acqua, invece di oltre 530° C per molti sali. «Una volta raggiunta la giusta temperatura, diventa pratico realizzare batterie che non richiedono speciali misure di isolamento e anticorrosione».

I tre ingredienti finali utilizzati sono economici e subito disponibili: alluminio, che si triva ovunque e riciclabile all’infinito; zolfo, che è spesso un prodotto di scarto di processi come la raffinazione del petrolio; sali ampiamente disponibili. «Gli ingredienti sono economici e una cosa è sicura: non possono bruciare», chiosa Sadoway.

Gli esperimenti del team, che comprendeva anche scienziati di Ynnan University e Wuhan University of Technology (Cina), University of Louisville e Oak Ridge National Laboratory (Usa) e University of Waterloo (Canada), hanno dimostrato che le celle della nuova batteria «Potrebbero sopportare centinaia di cicli a velocità di carica eccezionalmente elevate, con un costo previsto per cella di circa un sesto di quello di celle agli ioni di litio comparabili» e che «La velocità di ricarica dipendeva fortemente dalla temperatura di lavoro: a 110 gradi Celsius si mostravano 25 volte più veloci che a 25° C».

Sorprendentemente, il sale fuso scelto dal team come elettrolita semplicemente per il suo basso punto di fusione si è rivelato un vantaggio inaspettato: «Uno dei maggiori problemi nell’affidabilità della batteria è la formazione di dendriti – ricordano al MIT – che sono sottili punte di metallo che si accumulano su un elettrodo e alla fine si espandono per entrare in contatto con l’altro elettrodo, causando un cortocircuito e ostacolandone l’efficienza. Ma questo particolare sale, si dà il caso, è molto efficace nel prevenire quel malfunzionamento».

Sadoway fa notare che «Il sale di cloro-alluminato che abbiamo scelto, ha essenzialmente ritirato questi dendriti in fuga, consentendo anche una carica molto rapida. Abbiamo fatto esperimenti a velocità di ricarica molto elevate, caricando in meno di un minuto, e non abbiamo mai perso celle a causa del cortocircuito dei dendriti. E’ divertente, perché l’obiettivo era trovare un sale con il punto di fusione più basso, ma i cloro-alluminati concatenati con cui siamo finiti si sono rivelati resistenti al problema del cortocircuito. Se avessimo iniziato cercando di prevenire il cortocircuito dendritico, non sono sicuro che lo avremmo ottenuto. Immagino che per noi sia stata una fortuna».

Come se non bastasse, questa super batteria economica non richiede alcuna fonte di calore esterna per mantenere la sua temperatura di esercizio. Il calore viene prodotto naturalmente elettrochimicamente dalla carica e dallo scarico della batteria: «Quando carichi, generi calore e questo impedisce al sale di congelarsi. E poi, quando lo scarichi, genera anche calore – dice Sadoway . In un tipico impianto utilizzato per il livellamento del carico in un impianto di generazione solare, ad esempio, si stoccherebbe elettricità quando splende il sole e, poi, si preleverebbe elettricità dopo il tramonto e si farebbe ogni giorno. E quella carica-inattività-scarica-inattività è sufficiente per generare abbastanza calore per mantenere la cosa a temperatura. Questa nuova formulazione di batterie sarebbe l’ideale per installazioni delle dimensioni necessarie all’incirca per alimentare una singola casa o una piccola e media impresa, producendo nell’ordine di poche decine di kilowattora di capacità di accumulo. Per installazioni più grandi, fino a una scala di utilità da decine a centinaia di megawattora, potrebbero essere più efficaci altre tecnologie». Comprese le batterie a metallo liquido che Sadoway e i suoi studenti hanno sviluppato diversi anni fa e che hanno costituito la base per la società spin-off Ambri, che spera per consegnare i suoi primi prodotti entro il 2023. Un’nvenzione per la quale Sadoway è stato recentemente insignito dell’European Inventor Award 2022.

Per Sadoway, «La scala ridotta delle batterie alluminio-zolfo le renderebbe pratiche anche per utilizzarle come stazioni di ricarica per veicoli elettrici. Quando i veicoli elettrici diventeranno abbastanza comuni sulle strade e più auto vogliono ricaricare contemporaneamente, come accade oggi con le pompe di benzina, se provi a farlo con le batterie e vuoi una ricarica rapida, gli amperaggi sono così alti che non c’è quella quantità di amperaggio nella linea che alimenta la struttura. Quindi, avere un sistema di batterie come questo per stoccare energia e rilasciarla rapidamente quando necessario, potrebbe eliminare la necessità di installare nuove e costose linee elettriche per servire questi caricabatterie.

Ma una batteria a base di zolfo rischierebbe di produrre i cattivi odori associati ad alcune forme di zolfo? Sadoway risponde che non è possibile: 

 «L’odore di uova marce è nel gas, acido solfidrico. Questo è zolfo elementare e sarà racchiuso all’interno delle celle. Se qualcuno dovesse provare ad aprire una cella agli ioni di litio nella sua cucina (e per favore non provateci a casa!), reagirebbe con l’umidità nell’aria e inzierebbero a prodursi ogni sorta di gas. Queste sono domande legittime, ma la batteria è sigillata, non è una scatola aperta. Quindi non mi preoccuperei di questo».