L'alluminio è meglio del litio: da Stanford una nuova batteria rivoluzionaria

Un nuovo tipo di batteria flessibile agli ioni di alluminio è in grado di stoccare la stessa energia delle batterie tradizionali al piombo-acido e al nickel-metallo idruro ma con la capacità di ricaricarsi in appena un minuto. La nuova batteria, inoltre, è in grado di sopportare un ciclo di vita molto più esteso rispetto alle batterie realizzate con tecnologie tradizionali. Il progetto della batteria, nata nei laboratori della Stanford University sotto la supervisione del professore di chimica Hongjie Dai, potrebbe riservare applicazioni commerciali nel campo dello stoccaggio di energia a livello di rete elettrica, così come nella realizzazione di batterie per dispositivi indossabili o portatili.

Le batterie agli ioni di alluminio sono un'alternativa interessante alle batterie agli ioni di litio per una serie di ragioni. Anzitutto l'alluminio è disponibile in abbondanza e, per questo motivo, è economico. È un materiale abbastanza inerte, il che porta alla realizzazione di batterie più sicure e con un basso grado di infiammabilità. Per la stessa ragione molti team di ricerca stanno lavorando su alternative alle batterie agli ioni di litio studiando le possibilità di impiego di potassio, sodio e manganese.

Dal punto di vista chimico l'alluminio ha tre elettroni di valenza rispetto al solo elettrone del litio. Le reazioni di carica scarica muovono quindi tre eletroni per ciascun atomo, che significa che una batteria in alluminio può contenere il triplo dell'energia di una controparte agli ioni di litio.

Da tempo scienziati e ricercatori hanno tentato di realizzare batterie a base di ioni di alluminio, senza però trovare una strada efficace per sviluppare un adeguato sistema chimico. Tra i vari tentativi: l'impiego di anodi solidi in alluminio, elettroliti liquidi contenenti alluminio e vari materiali di catodo come ossido di manganese, nanocavi di vanadio e polimeri drogati. Il migliore di questi sistemi ha mostrato basse tensioni di scarica, una longevità inferiore a 100 cicli di carica/scarica e notevoli decadimenti nella capacità di stoccaggio dell'energia. Inoltre, in tutti i casi, il catodo ha mostrato una degradazione piuttosto rapida.

Dai e i colleghi sono riusciti ad ideare un catodo che opera molto meglio di quelli usati in precedenza ed è costituto da una schiuma tridimensionale di grafite, altamente porosa e leggera, realizzata in laboratorio. Il materiale può così intrappolare un elevato numero di ioni di alluminio. Gli ioni si muovono velocemente nel materiale, portando quindi a tempi di carica scarica piuttosto rapidi.

I ricercatori hanno inserito il catodo di grafite assieme ad un un sottile foglio di alluminio come anodo e ad un elettrolita ionico liquido all'interno di una sorta di astuccio flessibile. Questa struttura, una vera e propria cella di batteria, può essere ricaricata ad una densità di corrente di 5 ampere per grammo in circa un minuto e, ponendo una capacità specifica vicino a 70mAh per grammo, può essere scaricata in circa 34 minuti.

La densità di energia della batteria, di circa 40Wh per chilogrammo, è comparabile a quella delle batterie al piombo-acido e alle batterie NiMH. Ma la longevità è molto più estesa, pari a circa 7500 cicli di carica senza perdità di capacità. Anche le batterie agli ioni di litio hanno una longevità sensibilmente inferiore, pari a circa 1000 cicli.

La nuova batteria ha una densità di potenza di 3000 watt per chilogrammo, caratteristica che la rende molto simile ad un supercondensatore. L'unica differenza, e che la rende una batteria, è rappresentata dalla stabilità della tensione con cui avviene la scarica: un supercondensatore infatti è caratterizzato da una tensione di scarica che si riduce in maniera continua.

I ricercatori stanno ora lavorando per affinare il progetto e stanno cercando un'alternativa più economica all'elettrolita liquido ionico che possa rendere la batteria più competitiva dal punto di vista commerciale, oltre a verificare la possibilità di incrementare la capacità di stoccaggio dell'energia della grafite usata per costruire il catodo. Dai ha comunque affermato che già alcune aziende si sono fatte avanti per cercare di ottenere una licenza per l'impiego della tecnologia.