Ci sono più telefoni cellulari nel mondo che persone. Quasi tutti sono alimentati da batterie ricaricabili agli ioni di litio, che sono il singolo componente più importante che ha permesso la rivoluzione dell'elettronica portatile degli ultimi decenni. Nessuno di questi dispositivi sarebbe attraente per gli utenti se non disponesse di energia sufficiente per durare almeno diverse ore, senza essere particolarmente pesante.

Le batterie agli ioni di litio sono utili anche in applicazioni più grandi, come i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo di energia smart-grid. E le innovazioni dei ricercatori nella scienza dei materiali, cercando di migliorare le batterie agli ioni di litio, stanno aprendo la strada a un numero ancora maggiore di batterie con prestazioni ancora migliori. Esiste già una domanda di batterie ad alta capacità che non prendano fuoco o esplodano. E molte persone hanno sognato più piccoli, batterie più leggere che si caricano in pochi minuti o addirittura secondi, ma immagazzinano energia sufficiente per alimentare un dispositivo per giorni.

Ricercatori come me, anche se, stanno pensando ancora più avventurosamente. Le automobili e i sistemi di accumulo in rete sarebbero ancora migliori se potessero essere scaricati e ricaricati decine di migliaia di volte in molti anni, o addirittura decenni. Le squadre di manutenzione e i clienti apprezzerebbero le batterie in grado di monitorarsi da sole e inviare avvisi se sono state danneggiate o non funzionano più al massimo delle prestazioni, o addirittura sono in grado di ripararsi da sole. E non è troppo per sognare batterie a doppio scopo integrate nella struttura di un oggetto, aiutando a modellare la forma di uno smartphone, auto o edificio alimentando anche le sue funzioni.

Tutto ciò potrebbe diventare possibile man mano che la mia ricerca e quella di altri scienziati e ingegneri diventeranno sempre più abili nel controllare e maneggiare la materia alla scala dei singoli atomi.

Materiali emergenti

Per la maggior parte, i progressi nello stoccaggio dell'energia si baseranno sul continuo sviluppo della scienza dei materiali, spingendo i limiti delle prestazioni dei materiali delle batterie esistenti e sviluppando strutture e composizioni di batterie completamente nuove.

L'industria delle batterie sta già lavorando per ridurre il costo delle batterie agli ioni di litio, anche rimuovendo il costoso cobalto dai loro elettrodi positivi, chiamati catodi. Ciò ridurrebbe anche il costo umano di queste batterie, perché molte miniere in Congo, la principale fonte mondiale di cobalto, usare i bambini per fare lavori manuali difficili.

I ricercatori stanno trovando modi per sostituire i materiali contenenti cobalto con catodi fatti principalmente di nichel. Alla fine potrebbero essere in grado di sostituire il nichel con il manganese. Ciascuno di quei metalli è più economico, più abbondante e più sicuro con cui lavorare rispetto al suo predecessore. Ma arrivano con un compromesso, perché hanno proprietà chimiche che riducono la durata delle batterie.

I ricercatori stanno anche cercando di sostituire gli ioni di litio che fanno la spola tra i due elettrodi con ioni ed elettroliti che potrebbero essere più economici e potenzialmente più sicuri, come quelli a base di sodio, magnesio, zinco o alluminio.

Il mio gruppo di ricerca esamina le possibilità di utilizzo di materiali bidimensionali, essenzialmente fogli estremamente sottili di sostanze con utili proprietà elettroniche. Il grafene è forse il più noto di questi:un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo. Vogliamo vedere se impilare strati di vari materiali bidimensionali e quindi infiltrare la pila con acqua o altri liquidi conduttivi potrebbe essere componenti chiave delle batterie che si ricaricano molto rapidamente.

Guardando dentro la batteria

Non sono solo i nuovi materiali ad espandere il mondo dell'innovazione delle batterie:nuove apparecchiature e metodi consentono anche ai ricercatori di vedere cosa sta succedendo all'interno delle batterie molto più facilmente di quanto fosse possibile in passato.

Nel passato, i ricercatori hanno eseguito una batteria attraverso un particolare processo di carica-scarica o numero di cicli, e poi rimosse il materiale dalla batteria e lo esaminò dopo il fatto. Solo allora gli studiosi hanno potuto apprendere quali cambiamenti chimici erano avvenuti durante il processo e dedurre come funzionava effettivamente la batteria e cosa ne aveva influenzato le prestazioni.

Ma ora, i ricercatori possono osservare i materiali delle batterie mentre subiscono il processo di accumulo di energia, analizzando anche la loro struttura e composizione atomica in tempo reale. Possiamo utilizzare sofisticate tecniche di spettroscopia, come le tecniche a raggi X disponibili con un tipo di acceleratore di particelle chiamato sincrotrone – così come i microscopi elettronici e le sonde a scansione – per osservare il movimento degli ioni e il cambiamento delle strutture fisiche mentre l'energia viene immagazzinata e rilasciata dai materiali in una batteria.

Questi metodi consentono ai ricercatori come me di immaginare nuove strutture e materiali di batterie, realizzali e vedi quanto bene – o no – funzionano. Quel modo, saremo in grado di portare avanti la rivoluzione dei materiali delle batterie.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.