I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno trovato una possibile soluzione all’impiego di materiali rari e costosi per la fabbricazione delle batterie agli ioni di litio, presenti in tutti gli accessori hi-tech, dagli smartphone agli smartwatch. Pochi lo sanno, ma l’impennata nella diffusione di prodotti a batteria negli ultimi decenni ha messo a dura prova la disponibilità mondiale di cobalto e nichel, i due metalli indispensabili per la fabbricazione delle attuali batterie. La prima conseguenza è un progressivo incremento dei prezzi.

La necessità è quindi di sviluppare soluzioni alternative per fabbricare batterie al litio. Quello ideato dal Georgia Institute of Technology sfrutta un nuovo sistema di catodi ed elettrodi che non richiede l’impiego di cobalto e nichel, perché rimpiazza l’elettrolita liquido con fluoruri di metalli di transizione a basso costo e un elettrolita polimerico solido. In sostanza, si potrebbero creare batterie al litio simili a quelle attuali e con le stesse funzioni, composte con materiali poco costosi e facili da reperire.

Crediti: Georgia Institute of Technology
Gleb Yushin, a destra, e Kostiantyn Turcheniuk. Crediti: Georgia Institute of Technology

Gli ostacoli al progetto, che per ora viene definito “promettente”, sono molti, come spiega Gleb Yushin, professore alla School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech: “gli elettrodi realizzati con fluoruri di metalli di transizione hanno da tempo mostrato problemi di stabilità e guasti nel breve termine, portando a un notevole scetticismo sulla loro usabilità nelle batterie di prossima generazione”. Ostacoli a cui, tuttavia, potrebbe esserci una soluzione: “abbiamo dimostrato che se usati insieme a un elettrolita polimerico solido, i fluoruri metallici mostrano una notevole stabilità anche a temperature più elevate, e potrebbero portare a batterie agli ioni di litio più sicure, più leggere ed economiche“.

Per capire il cambiamento bisogna partire dal funzionamento di una tipica batteria agli ioni di litio: l’energia viene rilasciata mediante il trasferimento di ioni di litio tra due elettrodi – un anodo e un catodo. Il catodo è fatto con litio e metalli di transizione come cobalto, nichel e manganese. Gli ioni fluiscono tra gli elettrodi attraverso un elettrolita liquido. I ricercatori hanno fabbricato un nuovo tipo di catodo ricavato da materiale attivo di fluoruro di ferro e un nanocomposito elettrolita a polimero solido. I fluoruri di ferro hanno più del doppio della capacità di litio dei tradizionali catodi a base di cobalto o nichel. Inoltre, il ferro è 300 volte più economico del cobalto e 150 volte più economico del nichel.

Crediti: Georgia Institute of Technology
Crediti: Georgia Institute of Technology

Per produrre questo catodo, i ricercatori hanno pressato a caldo l’intera struttura del catodo per aumentarne la densità e ridurre eventuali vuoti. Le peculiarità dell’elettrolita così ottenuto sono due: la sua capacità di flettere e accogliere il volume del fluoruro di ferro, e la capacità di formare un’interfase molto stabile e flessibile con il fluoruro di ferro. Si risolve così il problema annoso delle reazioni collaterali causate dal gonfiore quando si utilizza il fluoruro di ferro nelle batterie. Yushin argomenta che “i catodi realizzati con fluoruro di ferro hanno un enorme potenziale grazie della loro elevata capacità, ai bassi costi dei materiali e all’ampia disponibilità di ferro. I cambiamenti di volume e le reazioni collaterali con elettroliti ne hanno precedentemente limitato l’uso. L’uso di un elettrolita solido con proprietà elastiche risolve molti di questi problemi”.

I ricercatori hanno testato diverse varianti delle nuove batterie a stato solido per analizzarne le prestazioni in oltre 300 cicli di carica e scarica a temperature di 50 gradi, ottenendo risultati migliori degli esperimenti precedenti con fluoro metallico, anche quando questi erano mantenuti a temperature ambiente.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Materials e ha beneficiato della sponsorizzazione dell’Army Research Office Nature (l’ufficio le la ricerca dell’esercito statunitense). Il prossimo passo sarà sviluppare elettroliti solidi di nuova concezione per consentire la ricarica rapida e per combinare elettroliti solidi e liquidi in progetti compatibili con le tecnologie di produzione attualmente impiegate nelle fabbriche di batterie.

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