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Densità energetica: è questo il valore chiave nello sviluppo delle batterie, siano esse quelle destinate ai piccoli e grandi dispositivi elettronici, siano esse quelle destinate alle auto elettriche del futuro. Stato solido: è questa la tecnologia che, secondo la maggior parte degli scienziati, può far fare un grande salto in avanti alla densità energetica delle batterie a ioni di litio. Esplosioni e fiamme: sono questi i motivi per cui le batterie allo stato solido non sono ancora realtà.
In questa brevissima sintesi c'è tutto il senso di centinaia di ricerche portate avanti da altrettanti team di scienziati in mezzo mondo. L'ultima delle quali è quella del MIT, il Massachusetts Institute of Technology dell'Università di Cambridge, che sembra aver trovato un modo per rendere sicure le batterie allo stato solido.
Stato liquido Vs. Stato solido
La gran parte delle batterie a ioni di litio che usiamo oggi sono a "stato liquido". Ciò vuol dire che, tra il polo positivo e quello negativo dell'accumulatore, dentro la batteria c'è un elettrolita liquido attraverso il quale si muovono gli elettroni. L'elettrolita, infatti, è una soluzione chimica che trasporta gli ioni di litio (ovvero le cariche positive di energia elettrica) da un polo all'altro della batteria. Nelle batterie a "stato solido", invece, l'elettrolita non è liquido ma, appunto, solido e, a differenza di quello liquido, ha la capacità di accumulare molta più energia a parità di peso e di volume.
Una batteria allo stato solido, quindi, ha una densità energetica molto più alta perché, nello stesso spazio e con lo stesso peso, può contenere molta più energia elettrica. Le batterie allo stato solido, però, hanno un grosso problema: tendono a formare cristalli a forma di ago (detti "dendriti") nei pressi del polo negativo. A causa dei cicli di espansione e contrazione del litio durante i processi di carica e scarica della batteria, dovuti all'accumulo e alla cessione di atomi, questi dendriti a volte sfuggono dal polo e si insinuano nell'elettrolita, causando corto circuiti, surriscaldamenti e, a lungo andare, l'esplosione della batteria. Gran parte della ricerca attuale, per questo, è concentrata sul trovare un modo per impedire la formazione dei dendriti e, di conseguenza, rendere sicure le batterie allo stato solido.
La scoperta del MIT
L'idea dei ricercatori del MIT per evitare il distaccamento dei dendriti all'interno delle batterie, e i conseguenti problemi, consiste in un nuovo design basato su "conduttori misti ionico-elettronici" (MIEC) e "isolatori elettronici e a ioni di litio" (ELI). I ricercatori hanno messo a punto una nuova architettura interna tridimensionale, a forma di nido d'ape, basata su tubi esagonali di MIEC parzialmente infusi con litio-metallo solido. Questa struttura forma uno degli elettrodi della batteria ma lascia un po' di spazio libero all'interno di ogni tubo. Quando il litio si espande nel processo di carica scorre nello spazio vuoto all'interno dei tubi, muovendosi come un liquido anche se mantiene la sua struttura cristallina (e quindi resta un solido a tutti gli effetti).
Questa espansione è interamente confinata all'interno della struttura a nido d'ape, alleviando la pressione dovuta all'espansione causata dalla carica. Con questo design della batteria allo stato solido, quindi, non vengono modificate le dimensioni esterne dell'elettrodo o il confine tra elettrodo ed elettrolita. L'altro materiale, l'ELI, funge da legante meccanico tra le pareti dei nanotubi in MIEC e lo strato di elettrolita solido. Per farla molto semplice, quindi, è come se la batteria allo stato solido del MIT fosse elastica, ma solo al suo interno.
I vantaggi
In un certo senso potremmo dire che i ricercatori del MIT abbiano trovato una soluzione per salvare capra e cavoli: mettere insieme la densità energetica di una batteria a ioni di litio allo stato solido e la sicurezza di un elettrodo allo stato liquido. Poiché le pareti di queste strutture a nido d'ape sono realizzate in MIEC chimicamente stabile, il litio non perde mai il contatto elettrico con il materiale e l'intera batteria allo stato solido può rimanere meccanicamente e chimicamente stabile durante i cicli di carica e scarica. Il team di ricerca ha dimostrato che la cosa funziona, almeno su cento cicli.
Le applicazioni
Nelle applicazioni pratiche questo potrebbe voler dire creare batterie che pesano un quarto di quelle attuali, a parità di energia stoccata, oppure che possono contenere quattro volte più energia, a parità di peso. Nella vita reale ciò potrebbe significare dover caricare lo smartphone una sola volta ogni tre o quattro giorni, oppure poter realizzare una auto elettrica che fa oltre mille chilometri di autonomia con una sola carica. O che pesa molto meno a parità di autonomia. Tra il dire e il fare, però, c'è di mezzo al momento un doppio problema: testare questa tecnologia per molti più cicli di carica, perché 100 operazioni tra carica e scarica sono veramente poche, e industrializzarla con costi accettabili.
