Costruire migliori batterie
Dagli elettrodomestici ai dispositivi intelligenti, dai veicoli fino agli aerei, il mondo sta diventando elettrico. Ad alimentare questo cambiamento sono le batterie ricaricabili, in particolare le batterie agli ioni di litio. Queste però, se da un lato trasformano i dispositivi elettronici portatili in realtà e consentono modalità di trasporto sostenibili, oltre che un maggiore stoccaggio e un uso più versatile dell’energia rinnovabile, hanno comunque i loro limiti. Per esempio, molte impiegano materie prime costose come il cobalto e il nichel che possono essere soggette a drastiche fluttuazioni di prezzo. L’estrazione di questi materiali può essere dannosa per l’ambiente e per le persone che effettuano l’estrazione. Inoltre, le batterie agli ioni di litio stanno anche raggiungendo il loro limite in termini di densità energetica, limitando la nostra capacità di «elettrificare tutto». Tenendo conto di tutti questi aspetti, emerge un bisogno urgente di soluzioni per batterie più sostenibili e potenti. A rispondere a questa esigenza è CARBAT, un progetto finanziato dall’UE dedicato allo sviluppo di una tecnologia di batterie a base di calcio (Ca) metallico. «Le batterie a base di Ca promettono un aumento vertiginoso in termini di densità energetica e di sicurezza rispetto all’attuale tecnologia agli ioni di litio di ultima generazione», spiega María Rosa Palacín, professoressa ricercatrice presso l’Istituto di scienza dei materiali di Barcellona (ICMAB-CSIC), che ha coordinato il progetto. «Le batterie a base di Ca metallico sono particolarmente interessanti perché il calcio è uno degli elementi più abbondanti nella crosta terrestre e, come anodo di Ca metallico, può essere utilizzato con una vasta gamma di elettroliti piuttosto convenzionali», aggiunge Patrik Johansson, professore presso la Chalmers University of Technology, parimenti coinvolta nel progetto. Altri partner sono l’Università Complutense di Madrid (sito web in spagnolo) e il Fraunhofer Institute for Silicon Technology.
Verso una prova di concetto
Il progetto CARBAT mirava a raggiungere una prova di concetto di una cella di batteria ricaricabile basata sull’anodo di Ca metallico con una densità energetica considerevolmente più alta di quella offerta dalle odierne batterie agli ioni di litio. A tal scopo, il progetto ha combinato la progettazione computazionale con la scienza dei materiali, l’elettrochimica e l’ingegneria delle batterie. Come punto di partenza, il progetto ha utilizzato lo screening computazionale per selezionare i materiali più rilevanti, ognuno dei quali è stato poi attentamente valutato rispetto alle prestazioni elettrochimiche. «Lo screening computazionale ci ha permesso di identificare un certo numero di materiali inorganici che potrebbero essere adatti come elettrodi positivi», spiega Palacín. «Alla fine, alcuni di questi materiali hanno mostrato interessanti prestazioni preliminari e, utilizzando lo stesso approccio, abbiamo anche scoperto nuove formulazioni di elettroliti che sembrano promettenti». Successivamente, piccole celle di laboratorio sono state costruite, testate, convalidate e messe a confronto con la più avanzata tecnologia delle batterie agli ioni di lito usando indicatori chiave di performance e di sostenibilità.
Un fondamento importante
Grazie a questo lavoro, i ricercatori del progetto hanno ora una migliore comprensione basilare dei meccanismi in gioco e delle possibili prestazioni nell’uso di questi nuovi materiali. «Capire in che modo avvalersi del Ca come anodo è un passo cruciale verso la creazione di batterie con ad altissima densità energetica», nota Johansson. «Questo lavoro è la base da cui speriamo di poter partire per costruire una batteria a base di Ca metallico con migliori prestazioni e maggiore sostenibilità», aggiunge Palacín. «Ciò potrebbe aprire la strada ad un uso su larga scala delle energie rinnovabili.» I ricercatori stanno continuando il loro lavoro sugli elettrodi e gli elettroliti, migliorando il livello di maturità tecnologica del concetto.
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