Gli scienziati supportati dal SNSF hanno prodotto nuovi elettroliti per batterie ricaricabili al sodio e al magnesio. L'obiettivo del gruppo di ricerca era sviluppare alternative alla tecnologia agli ioni di litio.
Un progetto sostenuto dal Fondo nazionale svizzero per la scienza (FNS) mira a trovare nuovi materiali che possano essere utilizzati nelle batterie ricaricabili e che possano fornire alternative alle attuali batterie al litio. Le batterie al litio presentano diversi inconvenienti, quali la limitata disponibilità della materia prima stessa nonché i numerosi problemi di sicurezza, che sono principalmente associati all'uso di un composto liquido infiammabile. Questo problema è stato esemplificato dalla ricorrenza dell'esplosione dei telefoni cellulari.
La recente ricerca condotta da Arndt Remhof dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali, Empa, dimostra le potenzialità del sodio e del magnesio nello sviluppo di tecnologie alternative basate esclusivamente su elementi solidi. Il suo team ha prodotto componenti sperimentali per batterie basati su questi metalli.
Cambiare il materiale
Ricercatori svizzeri hanno sviluppato celle per batterie a stato solido utilizzando un composto solido (al contrario delle celle che si basano su un elettrolita liquido), la cui progettazione pone un problema tecnico significativo. Ioni - se sono litio, sodio o magnesio - deve potersi muovere attraverso un mezzo solido. Passando da un polo all'altro all'interno della batteria, ioni (carica positiva) facilitano lo spostamento degli elettroni (carica negativa) e quindi la scarica di una corrente elettrica attraverso un circuito esterno.
Per facilitare lo spostamento degli ioni, i ricercatori hanno sviluppato elettroliti solidi con struttura cristallina. Sostituendo il litio con sodio o magnesio, Il team di Arndt Remhof ha dovuto rivedere completamente la propria architettura cristallina e utilizzare nuovi componenti e processi di produzione.
"Mi piace sempre paragonare il nostro lavoro a quello di un allenatore di calcio", dice Arndt Remhof. "Puoi unire i migliori elementi, ma se non ottimizzi le impostazioni non otterrai buoni risultati!"
Sodio:un materiale economico
Il team di Arndt Remhof ha sviluppato un elettrolita solido che facilita una buona mobilità degli ioni sodio a 20 gradi. Quest'ultimo punto è cruciale:gli ioni richiedono una fonte di calore per muoversi, e indurre una reazione a temperatura ambiente rappresenta una sfida tecnica. L'elettrolita è anche non infiammabile ed è chimicamente stabile fino a 300 gradi, che affronta i vari problemi di sicurezza associati alle batterie agli ioni di litio. Il team di Hans Hagemann dell'Università di Ginevra ha lavorato in parallelo per sviluppare una tecnologia più economica per la produzione di questo nuovo elettrolita solido.
A differenza del litio, ci sono enormi riserve di sodio:è uno dei due componenti del sale da cucina. "La disponibilità è il nostro argomento chiave", dice Léo Duchêne di Empa e primo autore del documento di ricerca. "Però, immagazzina meno energia della massa equivalente di litio e quindi potrebbe rivelarsi una buona soluzione se la dimensione della batteria non è un fattore per la sua applicazione."
Magnesio:il materiale perfetto ma complesso
Lo stesso team ha anche sviluppato un elettrolita solido a base di magnesio. Fino ad ora, pochissime ricerche erano state fatte in questo campo. Il fatto che sia molto più difficile mettere in moto questo elemento non significa che sia meno attraente:è disponibile in abbondanza, è leggero, e non c'è rischio che esploda. Ma soprattutto, uno ione magnesio ha due cariche positive, mentre il litio ne ha solo uno. Essenzialmente, ciò significa che immagazzina quasi il doppio di energia nello stesso volume.
Alcuni elettroliti sperimentali sono già stati utilizzati per stimolare il movimento degli ioni magnesio, ma a temperature superiori a 400 gradi. Gli elettroliti utilizzati dagli scienziati svizzeri hanno già registrato conducibilità simili a 70 gradi. "Questa è una ricerca pionieristica e un proof of concept, "dice Elsa Roedern di Empa, che ha condotto gli esperimenti. "Siamo ancora lontani dall'avere un prototipo completo e funzionale, ma abbiamo fatto il primo importante passo verso il raggiungimento del nostro obiettivo".
Il progetto Novel Ionic Conductors riunisce ricercatori dell'Empa, l'Università di Ginevra, l'Istituto Paul Scherrer e l'Istituto Henryk Niewodniczanski di Fisica Nucleare in Polonia. È finanziato dal Fondo nazionale svizzero per la scienza dal 2015 nell'ambito del programma Sinergia, che sostiene la ricerca collaborativa e interdisciplinare. "Quello che siamo riusciti a ottenere in meno di due anni è davvero straordinario!" dice Arndt Remhof.
