Batterie agli ioni di litio, nuova scoperta manda KO 80 anni di ricerche

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Batteria agli ioni di litio (Nissan Leaf) - photo credit: NISSANEV via photopin cc

 

Batteria agli ioni di litio (Nissan Leaf) - photo credit: NISSANEV via photopin cc
Batteria agli ioni di litio (Nissan Leaf) – photo credit: NISSANEV via photopin cc

Da ottanta anni a questa parte le batterie al litio sono state oggetto di ricerche e si contano a migliaia le pubblicazioni scientifiche sul loro funzionamento: ebbene, una recente scoperta potrebbe mandare a gambe all’aria decenni di teorie e sperimentazioni.

Migliorare le prestazioni delle celle che compongono le batterie agli ioni di litio è un obiettivo condiviso dalla comunità scientifica, che, per dare una risposta alla domanda di sempre maggior autonomia (cruciale in molti campi, dai trasporti alle comunicazioni), ha sondato ogni formulazione chimica e composizione materiale.

Quanto però Peng Bai, Dottore di ricerca associato del Massachussetts Institute of Technology, ha calato sul piatto è un vero e proprio cambio di rotta.

In pratica, ad essere messo in dubbio è il modello utilizzato per studiare il comportamento degli ioni all’interno delle batterie durante i cicli di carica e scarica, sulla base del quale poggiano i tentativi di giungere a velocità di trasferimento migliori. Ciò non significa che le ricerche condotte negli ultimi 80 anni siano da buttare via: semplicemente necessitano di un approccio diverso per poter fare il passo avanti decisivo.

Questo passo verrebbe proprio dalla scoperta di Bai che, dall’osservazione di alcuni esperimenti condotti in Giappone su batterie con composizione litio-ferro fosfato (LiFePO4, tra le più comuni nei veicoli elettrici), ha notato che l’equazione caposaldo delle teorie sul comportamento degli ioni di litio non riusciva a descrivere con accuratezza quanto la realtà metteva in evidenza.

Sino ad oggi gli studiosi sono ricorsi all’applicazione di una regola per modellare matematicamente come gli elettroni si muovano tra anodo e catodo, la cosiddetta equazione di Butler-Volmer: formulata dal chimico Max Volmer nel 1930 sulla base delle teorie empiriche del collega John Alfred Valentine Butler, l’equazione descrive la corrispondenza che vige fra correnti elettriche e potenziali elettrici.

Proprio qui entra in gioco l’intuizione di Peng Bai, basata sui test più accurati che gli strumenti odierni consentono rispetto anche solo a pochi anni addietro.

La conferma che l’ottica con cui si approcciava al problema delle performance di queste batterie non era la migliore (ossia concentrandosi sul quanto velocemente gli ioni di litio riescano a muoversi fra il liquido elettrolitico e l’elettrodo solido) è arrivata da una prova eseguita dal Dottore di ricerca e dal suo collaboratore, il professore di ingegneria chimica del MIT Martin Bazant.

Analizzando le performance di una cella dotata di elettrodo poroso rivestito in carbonio, i due studiosi hanno definitivamente capito che la Butler-Volmer non è in grado di descriverne esattamente il comportamento.

A farlo è piuttosto la teoria denominata Marcus-Hush-Chidsey, che riguarda il movimento degli elettroni a livello atomico: nello specifico caso, essa spiega quanto velocemente le cariche negative traslino attraverso l’elettrodo poroso ed evidenzia come il rivestimento in carbonio costituisca l’unico limite per le prestazioni della cella.

Particolarmente quando si tratta di analizzare i regimi ad alto voltaggio, ossia i picchi massimi delle performance delle batterie, la forbice fra l’output descritto dalle due teorie aumenta, superando i 100 millivolts di differenza.

A cosa porta dunque la scoperta di Peng Bai?

Secondo il Premio Nobel 1992 per la chimica, Rudolph Marcus, professore presso il California Institute of Technology, come minimo si tratta di un “enorme passo avanti, specialmente per quel che riguarda le nanotecnologie”.

Proprio gli studi che portarono Marcus a conseguire il prestigioso riconoscimento sono alla base della teoria sulla quale poggia l’intuizione di Bai: comprendere come modellare davvero fedelmente ciò che avviene nelle celle agli ioni di litio permetterà alle ricerche future di arrivare a quei risultati che prima erano ovviamente preclusi.

L’esame accurato con la nuova teoria di ogni processo all’interno delle celle di cui sono composte le batterie aprirà la strada ad una valanga di miglioramenti alla nano-scala, quella sulla quale già si concentrano la maggior parte degli studi più recenti.

Questo non potrà che aprire nuovi orizzonti in settori come quelli delle turbine eoliche, dei pannelli solari, delle smart grid e, naturalmente, dei veicoli elettrici.

 

 

Andrea Lombardo

Fonte: Scientific American

 

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