È stato progettato un prototipo di batteria utilizzando acqua salata e materiali atossici e che si caricano rapidamente, aprendo la strada a nuovi tipi di batterie.

I principi di progettazione alla base del nuovo prototipo, che cambia colore mentre si carica, potrebbe essere applicato anche alle tecnologie delle batterie esistenti per creare nuovi dispositivi per l'accumulo di energia, rilevamento biologico, e materiali intelligenti che cambiano colore.

Le batterie più utilizzate attualmente sono le batterie agli ioni di litio, che hanno una capacità relativamente elevata (trastengono una grande quantità di carica) ma non scaricano o ricaricano la loro energia velocemente. Contengono anche elettroliti organici e altri materiali che possono essere pericolosi e infiammabili, il che significa che richiedono un'attenta manipolazione e smaltimento.

Il nuovo prototipo di batteria, sviluppato da un team di ricercatori dei dipartimenti di Fisica e Chimica dell'Imperial College di Londra, utilizza invece pellicole sottili di plastica appositamente progettata e semplice acqua salata.

Sebbene possa contenere una carica inferiore rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio, il prototipo, che è costituito da polimeri - lunghe catene di molecole che compongono la plastica - può caricarsi e scaricarsi in pochi secondi. Come ulteriore vantaggio dei materiali che utilizza, cambia anche colore mentre si carica, offrendo agli utenti un modo semplice per leggere lo stato di carica della batteria.

Il prototipo, i cui dettagli sono stati pubblicati in Scienze energetiche e ambientali , potrebbe aprire la strada al miglioramento della velocità di carica e della tossicità delle batterie esistenti, o fornire un percorso per realizzare tipi completamente nuovi di batterie.

Sviluppo di batterie riciclabili

Co-autore principale Dr. Alexander Giovannitti, che ha lavorato al progetto mentre era presso i Dipartimenti di Fisica e Chimica dell'Imperial, ha dichiarato:"I materiali che abbiamo utilizzato per creare il prototipo della batteria potrebbero essere potenzialmente realizzati a basso costo e combinati con l'uso di elettroliti a base d'acqua non tossici e non infiammabili. Questo approccio potrebbe essere una strada praticabile per sviluppare batterie riciclabili".

Le batterie con tempi di ricarica più rapidi ma con capacità inferiore potrebbero avere una gamma di applicazioni in cui l'energia deve essere scambiata rapidamente ma le batterie non devono essere piccole, come quando l'energia della frenata dell'auto viene utilizzata pochi istanti dopo per accelerare il veicolo.

Su scala più ampia, quando le tecnologie rinnovabili come il solare o l'eolico sono utilizzate come parte di una rete nazionale o locale, possono fornire energia solo in modo intermittente. Un sistema di batterie in grado di immagazzinare questa energia rapidamente, ma anche restituirlo alla rete quando necessario, sarebbe prezioso per mantenere costante l'offerta.

Il team afferma che il loro prototipo avrebbe bisogno di più lavoro per essere adatto a queste aree, ma che i principi alla base della sua progettazione potrebbero essere applicabili a un'ampia gamma di dispositivi di accumulo di energia in fase di sviluppo.

Progettare nuovi materiali

I materiali polimerici sono stati utilizzati con successo nelle batterie prima, come additivi per fornire flessibilità o come elettroliti che separano gli elettrodi positivi e negativi, ma il loro uso come materiali attivi negli elettrodi delle batterie operanti in acqua si è rivelato impegnativo.

La svolta deriva dalla progettazione di materiali polimerici in grado di assorbire e rilasciare ioni positivi o negativi dall'acqua salata, in modo rapido e reversibile senza degradarsi. Questi ioni sono attratti da elettrodi di carica opposta quando il dispositivo è in carica.

Le batterie a base d'acqua sono desiderabili a causa della loro non tossicità, ma è stato difficile ottenere lo scambio reversibile degli ioni nell'acqua con gli elettrodi.

Il team ha aggirato questo problema progettando catene laterali da attaccare alle "spine" polimeriche conduttrici. Utilizzando materiali polari per le catene laterali, potrebbero creare elettrodi con elevata affinità con l'acqua.

Con questo principio sono stati in grado di creare elettrodi positivi e negativi che possono ospitare i loro ioni opposti dall'acqua - e hanno avuto gli ingredienti per una batteria. Poiché le dorsali polimeriche erano già flessibili, espandendosi e contraendosi mentre la batteria si caricava e si scaricava, non erano necessari additivi.

Co-autore principale Dr. Davide Moia, che ha completato il lavoro mentre era al Dipartimento di Fisica dell'Imperial, ha dichiarato:"L'uso di acqua salata elimina i problemi di tossicità e infiammabilità, ma non è stato facile da usare in quanto può limitare la quantità di energia che puoi entrare e uscire da un dispositivo rispetto ad altri elettroliti organici.

"Ora vogliamo testare fino a che punto può essere spinto questo limite. Abbiamo compensato le prestazioni inferiori con una combinazione più sicura di materiali, ma migliorare le prestazioni potrebbe aprire la strada a nuovi tipi di dispositivi di accumulo di energia praticabili che siano anche sicuri e sostenibili".