È una scelta difficile:soffrire la fame o farcela da soli.

Quando i soldati sono gravati sul campo di battaglia dalle scorte di cibo e dalle pesanti batterie che alimentano le loro apparecchiature di comunicazione, spesso scelgono di abbandonare le razioni. È un sacrificio fatto per mantenere i dispositivi accesi e le linee di comunicazione aperte sul campo.

Più piccoli, batterie più durature aiuterebbero ad alleggerire il carico di un soldato, quindi i ricercatori dell'USC stanno lavorando con il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per sviluppare batterie migliori che pesano la metà degli attuali alimentatori.

La tecnologia delle batterie ha un impatto oltre l'esercito, pure, poiché le batterie alimentano tutto, dai cellulari alle auto. Man mano che la domanda mondiale di energia cresce, I ricercatori dell'USC stanno dando una nuova occhiata a un futuro alimentato a batteria. Le batterie innovative potrebbero aiutarci a immagazzinare energia rinnovabile in reti energetiche su larga scala per servire intere città, diminuire la nostra dipendenza dai combustibili fossili. Allo stesso tempo, gli scienziati hanno scoperto nuove fonti per questa energia.

La corsa è per alimentare una nuova rivoluzione della batteria.

Nuovi materiali per una maggiore efficienza, Batterie più pulite

Esistono molti tipi di batterie ricaricabili, ma tra le più onnipresenti ci sono quelle nei nostri cellulari e computer:le batterie agli ioni di litio. Queste unità possono immagazzinare il doppio dell'energia in volume rispetto alle varietà nichel-metallo idruro, e sono generalmente più leggeri, pure. Ma sono anche noti per la loro tendenza a scaldarsi (e si lamentano di morire nei momenti più scomodi). Col tempo, si degradano e perdono la loro capacità di trattenere una carica elettrica. Gli esperti dicono che nonostante la loro popolarità, i loro giorni possono essere contati.

"Uno dei maggiori problemi con le batterie agli ioni di litio è che il litio non è un materiale abbondante, quindi non è sostenibile", dice Sri Narayan, professore di chimica presso l'USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences e co-direttore scientifico presso l'USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "Infatti, se guardi nel lontano futuro, potremmo rimanere senza litio se continuiamo a consumarlo al ritmo attuale. Abbiamo bisogno di materiali alternativi che racchiudano più energia nello stesso volume senza molto litio".

Narayan crede che una valida alternativa risieda nello zolfo, una risorsa naturale abbondante ed economica. Aggiungendo un'esclusiva membrana di conduzione a una batteria al litio-zolfo, ha creato una batteria che produce il triplo dell'energia per le sue dimensioni rispetto alle attuali tecnologie agli ioni di litio. Poiché queste batterie sarebbero più piccole e migliori per immagazzinare la carica elettrica rispetto alle batterie agli ioni di litio, sarebbero l'ideale quando più energia deve essere racchiusa in un piccolo dispositivo. Secondo Narayan, potrebbero essere usati nei cellulari, computer ed eventualmente veicoli elettrici, comprese automobili e persino aerei.

Il potenziale rivoluzionario del suo lavoro ha attirato l'attenzione del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, che ha finanziato la ricerca di Narayan per sviluppare una batteria più leggera per i soldati sul campo di battaglia.

Chongwu Zhou, professore di ingegneria elettrica presso la USC Viterbi School of Engineering, si è rivolto a una diversa risorsa naturale per migliorare le batterie dei cellulari. Il suo progetto utilizza il sodio, un elemento solitamente associato al sale da cucina, in sostituzione del litio. L'innovativa batteria agli ioni di sodio di Zhou può essere caricata al 50% della capacità in soli 2 minuti. Anche se è ancora in fase di sviluppo e non è ancora pronto per il mercato, ha già un vantaggio rispetto alle batterie esistenti:la produzione. Il sodio è economico e abbondante, ed è più rispettoso dell'ambiente rispetto al litio, che deve essere estratto.

Tecnologia della batteria affidabile e resistente

Un'ora di luce solare fornisce più di tutta l'energia consumata sul pianeta in un anno. I pannelli solari sono un modo per noi di attingere ad alcuni di questi universali, fonte di energia gratuita, ma cosa succede in una giornata di pioggia? I pannelli solari possono generare energia solo quando il sole splende su di loro, e le turbine eoliche possono generare energia solo quando soffia il vento. Gli alti e bassi nell'offerta di queste fonti rinnovabili rendono difficile per le aziende elettriche fare affidamento su di esse per soddisfare la domanda dei clienti in tempo reale.

"È sicuro dire che il sole sarà lì per i prossimi 4,5 miliardi di anni, quindi, non abbiamo una crisi energetica ma una crisi di stoccaggio dell'energia, "dice Surya Prakash, professore di chimica e titolare della cattedra del premio Nobel George A. e Judith A. Olah in chimica degli idrocarburi.

Se le batterie potessero immagazzinare l'energia in eccesso per mantenere una fornitura costante a portata di mano, anche se, quella sporadica inaffidabilità potrebbe cessare di essere un problema. Ecco perché Prakash e Narayan hanno sviluppato una batteria organica a base d'acqua che è di lunga durata e costruita con materiali economici, componenti ecologici. Questo nuovo design non utilizza metalli o materiali tossici ed è destinato all'uso in impianti solari ed eolici, dove la sua capacità di stoccaggio su larga scala potrebbe rendere la rete energetica più resiliente ed efficiente.

La loro tecnologia delle batterie differisce dalle batterie convenzionali familiari ai consumatori. Si chiama batteria a flusso redox ed è composta da due serbatoi di fluido, che immagazzinano l'energia. I fluidi vengono pompati attraverso elettrodi separati da una membrana. Il fluido contiene elettroliti, e ioni ed elettroni fluiscono da un fluido all'altro attraverso la membrana e poi l'elettrodo, creando una corrente elettrica.

"Lo stoccaggio di energia su larga scala è un problema critico nel futuro delle energie rinnovabili, " Dice Narayan. "Queste batterie a flusso potrebbero essere facilmente scalate per immagazzinare il tipo di energia in eccesso che viene generata".

Simile a un piccolo edificio, la batteria a flusso redox che Prakash prevede agirebbe come una sorta di allevamento di batterie, immagazzinare l'energia in eccesso generata dai pannelli solari o dalle turbine eoliche nelle vicinanze. "Non useresti tutta l'energia immagazzinata per alimentare le singole case, ma piuttosto per mantenere la rete equilibrata, "dice Prakash, direttore dell'USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "Quando le richieste di potere aumentano, lo stoccaggio fornito da queste batterie aiuterà a bilanciare la rete consentendo lo spostamento del carico, in modo che non ti affidi solo alla combustione di combustibili fossili."

Le nuove batterie organiche a flusso ad acqua durano circa 5, 000 cicli di ricarica, cinque volte più lunghi delle tradizionali batterie agli ioni di litio, per una durata di circa 15 anni. A un decimo del costo delle batterie agli ioni di litio, sono anche molto più economici da produrre grazie al loro uso di abbondanti, materiali sostenibili.

Narayan e Prakash hanno testato una batteria a flusso da 1 kilowatt in grado di alimentare il fabbisogno elettrico di base di una piccola casa. "Stiamo cercando di aumentare le dimensioni per immagazzinare energia sufficiente per un intero isolato, la città stessa, e infine per una mega-città come Los Angeles, " dice Narayan.

Un nuovo quadro per lo stoccaggio dell'energia

Con il consumo globale annuo di energia che dovrebbe continuare ad aumentare di circa il 50% nei prossimi 30 anni, fare affidamento su risorse rinnovabili è una delle motivazioni più importanti che guidano la ricerca tecnologica sostenibile. Il mondo non può continuare a fare affidamento sui combustibili fossili per soddisfare il fabbisogno energetico senza conseguenze ambientali devastanti, dicono i ricercatori.

"Quello che dobbiamo fare entro i prossimi 30 anni è diversificare il nostro portafoglio energetico per includere le energie rinnovabili e incorporarle gradualmente per liberarci dalla combustione di combustibili fossili, o almeno ridurre drasticamente, " dice Smaranda C. Marinescu, Gabilan Assistant Professor di Chimica presso la USC Dornsife.

Marinescu si concentra sulla raccolta dell'energia raccolta dalla luce solare e sulla sua conservazione come energia chimica, proprio come fanno le piante attraverso la fotosintesi. Lei e il suo team stanno lavorando a un modo per convertire l'energia immagazzinata in elettricità utilizzando quelle che vengono chiamate strutture metallo-organiche. Questi flessibili, le strutture cristalline ultrasottili e altamente porose hanno proprietà uniche che sono state utilizzate dagli scienziati principalmente per assorbire e separare diversi tipi di gas. Il loro uso per applicazioni energetiche sembrava una causa persa perché i ricercatori credevano che non potessero condurre elettricità. Ma il lavoro di Marinescu ha cambiato questo.

Nel laboratorio, il suo team ha sperimentato il materiale. Hanno preso gli elettroni che erano localizzati nei legami (il che impedisce loro di condurre elettricità) e li hanno distribuiti su più legami, sviluppando solidi che ora potrebbero trasportare corrente elettrica allo stesso modo dei metalli. "Le strutture metallo-organiche ora hanno il potenziale per la produzione e lo stoccaggio di energia rinnovabile, "dice Marinescu.

Le strutture sviluppate dal suo gruppo di ricerca contengono elementi poco costosi e possono trasformare l'acqua acida in idrogeno. Questo rappresenta un enorme progresso, poiché questi materiali potrebbero un giorno essere utilizzati in tecnologie come quelle per i veicoli alimentati a idrogeno. Possono anche essere sparsi sottili su un'area enorme:bastano solo 10 grammi di materiale per rivestire una superficie delle dimensioni di un campo da calcio.

La tecnologia apre le porte allo stoccaggio di energia rinnovabile a un enorme, scala quasi impensabile.

Batterie con una vita propria

Le batterie del futuro potrebbero provenire da organismi viventi?

Moh El-Naggar, Robert D. Beyer Early Career Chair in Natural Sciences e professore di fisica e astronomia, scienze biologiche e chimica presso la USC Dornsife, pensa che la natura abbia un sorprendente potenziale di potere.

El-Naggar studia l'insolito metabolismo di batteri come Shewanella oneidensis. I batteri trasferiscono elettroni a superfici solide come la roccia, creando minuscole cariche elettriche. Per creare una "batteria batterica vivente, Il team di El-Naggar immagina una cella a combustibile microbica in grado di generare energia catturando elettroni dai batteri tramite elettrodi. Gli scienziati stanno progettando tecnologie che attingono al processo di trasferimento di elettroni naturale dei batteri.

"I batteri sono macchine altamente evolute che sono davvero brave a convertire l'energia e ad interagire con le parti non viventi dell'ambiente, " El-Naggar dice. "Stiamo anche lavorando per utilizzare i processi naturali dei batteri per produrre biocarburanti o costruire semiconduttori per tecnologie energetiche pulite come le celle solari".

Ma El-Naggar avverte che i batteri probabilmente non saranno mai la risposta ai bisogni energetici su larga scala. "Rispetto alle batterie più tradizionali, la densità di potenza che otteniamo sfruttando la biologia è in genere inferiore, " El-Naggar dice. "Ma ci sono nicchie specifiche che in realtà si basano sulla bassa potenza in cui è una sfida utilizzare fonti di alimentazione tradizionali".

Per esempio, microbi e dispositivi potrebbero essere collocati sul fondo dell'oceano e generare energia sufficiente per piccoli, sensori altamente sensibili. L'esercito americano sta sviluppando tali sensori per la sorveglianza subacquea. L'uso di batterie vive per i sensori in località oceaniche remote sarebbe molto più pratico che dover cambiare le batterie tradizionali o fornire carburante a questi sensori.

Il lavoro di El-Naggar può portare allo sviluppo di nuovi materiali ibridi e tecnologie rinnovabili che combinano i microrganismi con i mattoni sintetici della nanotecnologia, potenzialmente creando una nuova forma ibrida di energia sostenibile.

Anche se molto probabilmente ci sarà più di una soluzione per alimentare il pianeta in modo sostenibile, El-Naggar vede un'opportunità per interrompere lo status quo. Vede anche l'università pronta ad espandere le possibilità di ciò che le batterie migliori possono fare.

"La USC è davvero brava nell'abbattere i muri tra le discipline scientifiche, e questo è un vantaggio importante per l'innovazione nel campo delle energie rinnovabili, che non è definito da alcuna disciplina, " dice El-Naggar. Il suo laboratorio include un numero uguale di studenti laureati e dottori di ricerca in fisica, scienze biologiche e chimica.

"Siamo piuttosto agili quando si tratta di superare i confini tradizionali dei campi scientifici".