I ricercatori di Cambridge stanno lavorando per risolvere uno dei più grandi enigmi della tecnologia:come costruire batterie di nuova generazione che potrebbero alimentare una rivoluzione verde.

Come molti di noi, quando mi sveglio prendo il telefono sul comodino e inizio a scorrere Twitter, Instagram, app di posta elettronica e notizie. Ascolto musica in streaming mentre mi preparo per il lavoro e podcast durante i miei spostamenti. Quando arrivo in ufficio, il mio telefono ha già bisogno di una spinta. Non sono nemmeno le 9 del mattino.

È un miracolo moderno avere in tasca computer più potenti di quelli che hanno supportato gli sbarchi sulla luna. Ma, nonostante il fatto che i transistor all'interno dei nostri telefoni e laptop siano diventati sempre più piccoli e veloci ogni anno, le batterie che li alimentano no.

La chiave per rendere l'elettronica portatile e alimentare un cambiamento epocale nel modo in cui comunichiamo e consumiamo le informazioni è stata la commercializzazione delle batterie agli ioni di litio da parte di Sony nel 1991. Le batterie agli ioni di litio sono ricaricabili, quindi quando il dispositivo è collegato a un caricabatterie ripristina la batteria per un altro uso.

Mentre le batterie agli ioni di litio hanno innegabili vantaggi, come densità di energia relativamente elevate e tempi di vita lunghi rispetto ad altre batterie e mezzi di accumulo di energia, possono anche surriscaldarsi o addirittura esplodere e sono relativamente costosi da produrre. Inoltre, la loro densità energetica non è affatto vicina a quella del petrolio. Ciò li rende inadatti per un uso diffuso in due importanti tecnologie pulite:auto elettriche e stoccaggio su scala di rete per l'energia solare. Una batteria migliore potrebbe fare la differenza. Allora cosa frena il progresso?

La professoressa Clare Gray è uno dei principali ricercatori nel settore delle batterie del Regno Unito e dirige un ampio gruppo di ricerca presso il Dipartimento di Chimica di Cambridge. Utilizzando metodi come la spettroscopia NMR, il suo gruppo studia materiali che potrebbero essere utilizzati nelle batterie di nuova generazione, celle a combustibile e supercondensatori.

Una batteria migliore è quella che può immagazzinare molta più energia o una che può caricarsi molto più velocemente, idealmente entrambe. Il gruppo di Grey sta sviluppando una gamma di diverse batterie di prossima generazione, comprese le batterie al litio-aria (che utilizzano l'ossidazione del litio e la riduzione dell'ossigeno per indurre una corrente), batterie al sodio, batterie al magnesio e batterie a flusso redox.

Una batteria al litio funzionante, Per esempio, avrebbe una densità di energia teorica dieci volte quella di una batteria agli ioni di litio, dandogli potenziali applicazioni nell'elettronica portatile, trasporto e stoccaggio in rete. Però, sebbene questa elevata densità di energia sarebbe paragonabile a quella della benzina, la densità energetica praticabile ottenibile è notevolmente inferiore e restano da affrontare importanti sfide di ricerca.

Mentre Gray lavora con partner industriali per migliorare le batterie che entrano oggi nelle auto elettriche, lei dice che il ruolo delle università è pensare a tipi completamente nuovi di batterie, come quelli che sta sviluppando nel suo laboratorio.

"Le università devono trovare risposte per 10-15 anni da oggi:siamo quelli che sono nella posizione migliore per innovare, pensare in modo creativo e generare radicali, nuove soluzioni, ", dice. "Vogliamo assicurarci che il nostro lavoro abbia un impatto ben oltre le batterie di oggi".

Oltre a sviluppare tipi completamente nuovi di batterie, un filone importante della ricerca di Grey è l'individuazione di difetti. Come parte della sua cattedra finanziata dalla Royal Society, Gray sta cercando di trovare il modo per individuare i guasti nelle batterie prima che si verifichino.

"Possiamo rilevare gli indicatori di guasto nelle batterie prima che si guastino? Se riusciamo a trovarli, allora potremmo potenzialmente impedire alle batterie di esplodere. Inoltre, vogliamo esplorare se una batteria per auto che ha raggiunto la fine della sua vita potrebbe avere una seconda vita sulla rete, Per esempio. Se potessimo lavorare, in tempo reale, cosa causa il degrado della batteria, potremmo cambiare il modo in cui usiamo la batteria, assicurando che duri più a lungo, "dice. "Più sappiamo sullo stato di salute di una batteria, più preziosa diventa quella batteria. Entrambe le strategie, aumentare la durata della batteria e trovare un secondo utilizzo, portano a batterie più economiche".

Gray è anche fortemente coinvolto con l'istituzione di Faraday, l'istituto di ricerca nazionale indipendente sulle batterie del Regno Unito, finanziato dal governo attraverso la sua strategia industriale. Sta conducendo uno dei quattro progetti "fast start", con altre nove università e dieci partner industriali, per esaminare come sollecitazioni ambientali e interne della batteria (come alte temperature, velocità di carica e scarica) danneggiano nel tempo le batterie delle auto elettriche.

"Quando pensi ad altri dispositivi elettronici, generalmente stai pensando solo a un materiale, che è silicio, " dice il Dr. Siân Dutton al Cavendish Laboratory di Cambridge nel Dipartimento di Fisica, e che sta anche lavorando al progetto Faraday Institution. "Ma le batterie sono molto più complesse perché hai più materiali con cui lavorare, più tutto l'imballaggio, e devi pensare a come tutti questi componenti interagiscono tra loro e con qualsiasi dispositivo in cui stai inserendo la batteria."

Tra gli altri progetti, Il gruppo di ricerca di Dutton sta studiando la possibilità di un elettrolita della batteria che sia solido anziché liquido. Uno dei principali problemi di sicurezza con le batterie agli ioni di litio è la formazione di dendriti - sottili fibre metalliche che fanno cortocircuitare una batteria, potenzialmente provocando l'incendio o addirittura l'esplosione della batteria.

"Se l'elettrolita è solido, però, potresti ancora avere dendriti, ma le batterie hanno molte meno probabilità di esplodere, " dice. "È importante che le università esaminino materiali per batterie non convenzionali come quelli che stiamo studiando. Se tutti si muovono nella stessa direzione, non otterremo il vero cambiamento di cui abbiamo bisogno".

La prospettiva di un'auto elettrica con un'autonomia di 1, 000 miglia, o un iPhone che si ricarica in due minuti, o essere in grado di utilizzare l'energia solare immagazzinata dopo il tramonto del sole, potrebbero essere tutti lontani alcuni anni. Ma, dice Grey:"Se vogliamo seriamente passare a un'economia a basse emissioni di carbonio, dobbiamo pensare a come risolvere questi problemi ora. Continuiamo a spingere nuovi materiali e nuovi metodi perché, senza di loro, i campi di ricerca ristagnano".