Transizione Culturale: Una batteria "ad aria" con 800 chilometri di autonomia

La IBM sta sviluppando un prototipo di batteria a litio-aria che fa a meno di metalli pesanti. Per arrivare a una produzione industriale all’inizio del prossimo decennio, è stato raggiunto un accordo con aziende chimiche giapponesi per la creazione di nuovi ettroliti che assicurino una lunga durata di vita ai nuovi accumulatori di carica di Larry Greenemeier

Un nuovo tipo di batteria al litio attualmente in fase di sviluppo potrebbe fornire l’alimentazione ad auto elettriche tanto da farle viaggiare per ben 800 chilometri prima di dover essere ricaricate, erogando circa 10 volte l'energia fornita dalle attuali batterie agli ioni litio. La prospettiva di una fonte di energia ad aria, che sia leggera e di lunga durata per la prossima generazione di veicoli è allettante, se solo qualcuno riuscisse a costruirne un prototipo. Il fatto è che ci sono diversi “posti di blocco” sulla strada verso queste batterie a litio-aria, soprattutto per quanto riguarda la ricerca di elettrodi ed elettroliti che siano sufficientemente stabili per la chimica della batteria ricaricabile.

L’IBM prevede di adottare batterie a litio-aria con la costruzione di un prototipo funzionante entro la fine del prossimo anno. Venerdì la società ha annunciato di aver intensificato gli sforzi per il loro sviluppo grazie al coinvolgimento di due società giapponesi – l’azienda chimica Asahi Kasei Corp e il produttore di elettroliti Central Glass – nell’IBM Battery 500 Project, un consorzio creato dalla IBM nel 2009 per accelerare il passaggio delle case automobilistiche e dei loro clienti a veicoli ad alimentazione elettrica.

Le batterie agli ioni litio utilizzate negli attuali veicoli elettrici si basano su un catodo in ossido metallico o fosfato di metallo (generalmente cobalto, manganese o materiali ferrosi) che funge da un elettrodo positivo, su un composto a base di carbonio come anodo, o elettrodo positivo, e su un elettrolita per condurre gli ioni litio da un elettrodo all'altro. Quando la macchina va, gli ioni litio fluiscono dall'anodo al catodo attraverso l’elettrolita e una membrana di separazione. La

carica della batteria inverte la direzione del flusso di ioni.

Attualmente le più efficienti batterie agli ioni litio per auto possono alimentare un veicolo per soli 160 chilometri prima di esaurirsi. (La Nissan afferma che la sua Leaf, completamente elettrica, ha un'autonomia di circa 175 chilometri.) Veicoli elettrici molto reclamizzati come la Chevy Volt hanno un’autonomia ancora più limitata, di soli 80 chilometri, prima che il entri in funzione il suo motore a gas.

Una batteria "ad aria" con 800 chilometri di autonomia — Schermata di una simulazione delle interazioni fra un elettrolita solvente organico (carbonato di propilene), e ioni di litio (bianco) e di ossigeno vicino a una superficie di litio-perossido di litio. (Cortesia IBM Research-Zurich)

Le specifiche sull’operatività delle batterie a litio-aria sono ancora in fase di determinazione, ma il principio generale è che, invece di utilizzare ossidi di metalli pesanti, l’ossigeno viene prelevato dall’aria mentre il veicolo elettrico è in movimento. Le molecole di ossigeno reagiscono con gli ioni litio e gli elettroni sulla superficie di un catodo di carbonio poroso, formando perossido di litio. La formazione di perossido di litio durante la fase di scarica determina una corrente elettrica che alimenta il motore della vettura. Durante la carica avviene la reazione inversa, e l'ossigeno viene rilasciato di nuovo nell'atmosfera. L'anodo, inoltre, è fatto di litio, il metallo più leggero. Senza il ricorso a metalli pesanti, la batteria sarebbe diverse volte più leggera ma in grado di immagazzinare più energia rispetto alla cugina agli ioni litio.

Anche se tutto questo funziona bene in una simulazione al computer, le batterie a litio-aria hanno nella pratica esigenze specifiche, che gli scienziati stanno ancora cercando di soddisfare. "Abbiamo scoperto abbastanza presto durante lo sviluppo del progetto che gli elettroliti attualmente utilizzati nelle batterie agli ioni litio non funzionano nelle batterie a litio-aria, perché in queste l'ossigeno attacca la batteria e distrugge l'elettrolita", rendendolo incapace di condurre una carica, dice Winfried Wilcke, ricercatore capo del Battery 500 Project. Una soluzione, aggiunge, sarebbe quella di utilizzare due elettroliti diversi, uno per il catodo e un secondo per l'anodo, con una membrana che ne eviti la miscelazione.

È a questo punto che la IBM cercato nuovi partner. La Asahi Kasei svilupperà una membrana che possa essere utilizzata nelle batterie per separare gli elettroliti pur permettendo agli ioni litio di passare dall’anodo ad catodo. La Central Glass svilupperà una nuova classe di elettroliti e di additivi ad alte prestazioni appositamente progettati per migliorare le prestazioni della batteria a litio-aria.

Un altro modo per valutare il potenziale delle batterie a litio-aria è quello di confrontarlo con altre batterie in termini di energia specifica, ossia di quanta energia produce in relazione alle sue dimensioni. Considerando che una tradizionale batteria al piombo per auto produce fino a 40 watt-ora per chilogrammo, una batteria agli ioni di litio arriva al massimo a 250 watt-ora per chilogrammo. Una batteria a litio-aria ha la potenzialità di superare di gran lunga i 1400 watt-ora per chilogrammo. "Il mio obiettivo sono 1000 watt-ora per chilogrammo, ma non avremo il numero reale relativo alla densità energetica fino a che non avremo costruito un prototipo più grande", dice Wilcke.

Il Battery 500 Project non è l'unico in corsa per lo sviluppo di batterie a litio-aria. I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology stanno sviluppando una batteria litio-aria con elettrodi in nanofibre di carbonio. E, Yangchuan Xing, professore associato di ingegneria chimica e biologica presso la Missouri University of Science and Technology, lo scorso anno ha ricevuto dalla Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA–E) un finanziamento di 1,2 milioni di dollari per sviluppare batterie a litio-aria.

Wilcke stima che le batterie a litio-aria possano essere pronte per la produzione non prima del 2020, "se non troviamo alcun intoppo tecnologico lungo la strada." E aggiunge: "L'unica cosa di cui sono certo è che non accadrà in questo decennio."

(L'originale di questo articolo è apparso su "Scientific American" il 20 aprile 2012; riproduzione autorizzata)