Le batterie agli ioni di litio sono infiammabili e il prezzo della materia prima è in aumento. Ci sono alternative? Sì:i ricercatori dell'Empa e dell'ETH Zürich hanno scoperto approcci promettenti su come produrre batterie da rifiuti di grafite e rottami metallici.

Kostiantyn Kravchyk lavora nel gruppo di Maksym Kovalenko. Questo gruppo di ricerca ha sede sia presso l'ETH di Zurigo che nel Laboratorio per i film sottili e il fotovoltaico dell'Empa. L'ambizioso obiettivo dei due ricercatori presso la filiale dell'Empa è quello di realizzare una batteria con gli elementi più comuni nella crosta terrestre, come magnesio o alluminio. Questi metalli offrono un alto grado di sicurezza, anche se l'anodo è di metallo puro. Questo offre anche l'opportunità di assemblare le batterie in modo molto semplice ed economico e di aumentare rapidamente la produzione.

Per far funzionare tali batterie, l'elettrolita liquido deve essere costituito da ioni speciali che non cristallizzano a temperatura ambiente, ovvero formano una sorta di fuso. Gli ioni metallici si muovono avanti e indietro tra il catodo e l'anodo in questo "cold melt", racchiusi in uno spesso mantello di ioni cloruro. In alternativa, anioni organici grandi ma leggeri, che sono privi di metalli, potrebbe essere usato. Questo ha un problema, però:dove dovrebbero andare questi ioni "spessi" quando la batteria è carica? Quale potrebbe essere un materiale catodico adatto? A titolo di confronto:nelle batterie agli ioni di litio, il catodo è costituito da un ossido metallico, che può facilmente assorbire i piccoli cationi di litio durante la ricarica. Questo non funziona per ioni così grandi, però. Inoltre, questi grandi anioni hanno una carica opposta ai cationi di litio.

Per risolvere il problema, Il team di Kovalenko aveva un asso nella manica:i ricercatori hanno capovolto il principio della batteria agli ioni di litio. Nelle tradizionali batterie agli ioni di litio, l'anodo (il polo negativo) è in grafite, i cui strati (allo stato carico) contengono gli ioni di litio. Nella batteria di Kovalenko, Al contrario, la grafite è usata come catodo (il polo positivo). Gli anioni spessi si depositano tra gli strati di grafene. Nella batteria di Kovalenko, l'anodo è in metallo.

Kravchyk ha fatto una scoperta notevole durante la ricerca della grafite "giusta":ha scoperto che la grafite di scarto prodotta nella produzione di acciaio, indicato come "kish grafite", fa per un ottimo materiale del catodo. Anche la grafite naturale funziona altrettanto bene:se viene fornita in scaglie grossolane e non macinata troppo finemente o piegata, forme non a fiocco. Il motivo:gli strati di grafite sono aperti ai bordi dei fiocchi e gli anioni spessi possono così scivolare più facilmente nella struttura. La grafite fine normalmente utilizzata nelle batterie agli ioni di litio, però, non è adatto alla batteria di Kovalenko. Macinando le particelle di grafite, gli strati si piegano come carta accartocciata. Solo piccoli ioni di litio sono in grado di penetrare questa grafite accartocciata, non gli anioni densi della nuova batteria.

La batteria del catodo di grafite costruita dalla produzione di acciaio "kish graphite" o grezza, scaglie di grafite naturale ha il potenziale per diventare molto conveniente. E se i primi esperimenti sono qualcosa da fare, è anche di lunga durata. Per diversi mesi, un sistema di laboratorio è sopravvissuto a migliaia di cicli di carica e scarica. "La batteria al cloruro di alluminio - catodo di grafite potrebbe durare decenni nell'uso domestico quotidiano, " spiega Kravchyk e aggiunge "dimostrazioni simili, ma ulteriormente aumentato le tensioni della batteria, senza compromettere le capacità, e di elementi ancora più leggeri sono in arrivo e offriranno un ulteriore aumento delle densità di energia dagli attuali 60 Wh kg-1 a oltre 150 Wh kg-1"