Quanta energia può contenere una batteria?
«Non esiste una risposta definitiva: tutto dipende dal materiale utilizzato», afferma Palacín. «Ma l’energia in una batteria non può aumentare all’infinito: esistono infatti dei limiti fisici.» Palacín afferma che non esistono standard per stimare il livello massimo di energia immagazzinabile a livello teorico da una batteria, poiché questo dipende da una serie di fattori concorrenti. Il limite più ovvio è dovuto alla chimica. Generalmente, le batterie sono composte da due materiali diversi, collegati da un elettrolita. Mentre gli elettroni passano da un’estremità del circuito all’altra, gli ioni attraversano l’elettrolita nella direzione opposta, permettendo al processo di proseguire. Negli anni novanta, il funzionamento di molti dispositivi elettronici di consumo era basato su ingombranti batterie al nichel-cadmio. Il cadmio tossico venne poi sostituito da leghe, dando vita a batterie al nichel-metallo idruro con una densità energetica migliore. Oggi, tipicamente le batterie degli smartphone e degli altri dispositivi portatili contengono litio, un materiale in grado di contenere ancora più energia nel medesimo volume. La quantità di energia accumulabile in una batteria dipende anche dalla sua forma, che varia in base all’applicazione desiderata. A questo proposito, cosa ci impedisce di progettare batterie per smartphone che durino una settimana? «Duravano così tanto nella prima generazione di telefoni cellulari, i cui schermi erano molto piccoli e in bianco e nero», ricorda Palacín. I moderni smartphone, invece, devono affrontare una lunga serie di ostacoli, ad esempio la presenza di schermi colorati grandi e ad alto consumo e di comparti batteria stretti, nonché l’esigenza di avere una connessione a Internet costante. Perciò, nonostante la tecnologia sia più evoluta e le batterie dei telefoni moderne siano più grandi, la loro carica ha una durata molto inferiore rispetto al passato. «C’è sempre un compromesso: le prestazioni delle batterie agli ioni di litio (Li-ion) è migliorata, ma i dispositivi richiedono sempre più energia», spiega Palacín.
Energia futura
Palacín, professoressa ricercatrice presso l’Istituto di scienza dei materiali di Barcellona, in Spagna, sta lavorando a una nuova generazione di batterie a base di calcio. «Uno dei problemi del litio è che cicli di carica ripetuti producono dendriti (piccole protrusioni) sull’elettrodo negativo. Questi potrebbero provocare un corto circuito e, potenzialmente, l’esplosione della batteria.» Per questo motivo, le batterie al litio più comuni contengono un elettrodo di grafite, che ne riduce la densità energetica. Sostituire il litio con il calcio potrebbe risolvere il problema, oltre che offrire una densità energetica più alta, poiché vi sarebbe la possibilità di usare elettrodi di metallo. Ogni ione di calcio trasportato nella batteria sposta anche due elettroni, mentre nella batteria agli ioni di litio ne sposta uno solo. Infine, le batterie al calcio usano un metallo meno costoso e molto più abbondante del litio. Quando si parla di energia portatile, esiste un materiale in grado di spodestare il litio? Il sodio è molto abbondante e ha caratteristiche chimiche simili al litio, perciò è possibile trasferire le conoscenze della tecnologia Li-ion e applicarle a questo materiale. «Ma nessun metallo è efficiente quanto il litio», aggiunge Palacín. «Si potrebbe immaginare una batteria al fluoro-litio, poiché il fluoro è molto reattivo. Possiamo ipotizzarne la capacità energetica, ma il fluoro è un gas, per giunta corrosivo… come funzionerebbe, esattamente?» Aggiungere ancora più joule in ogni chilogrammo di batteria comporterebbe probabilmente una rivoluzione tecnologica: il passaggio a batterie «a stato solido», senza un elettrolita liquido e in cui il metallo litio potrebbe essere usato come elettrodo. Più facile a dirsi che a farsi: attualmente esistono solo prototipi di questa nuova tecnologia. «Come si può immaginare, spostare gli ioni in un solido non è così semplice come in un liquido», afferma Palacín. Ciononostante, le batterie a stato solido offriranno una serie di vantaggi, ad esempio una densità energetica molto più alta e una probabilità di incendiarsi notevolmente inferiore. E potrebbero persino far durare la carica dei nostri smartphone fino a sera. Clicca qui per scoprire di più sull’attività di ricerca di María Rosa Palacín: Costruire migliori batterie
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