Tra le soluzioni più promettenti in vista della transizione energetica ci sono le nuove batterie metallo-aria, più sostenibili ed efficienti.
Il rapido esaurimento, l’imprevedibile fluttuazione dei prezzi e il potenziale inquinante dell’energia fossile spingono i ricercatori a esplorare nuove fonti di energia rinnovabili per la produzione di elettricità e di conseguenza a sviluppare dispositivi efficienti di stoccaggio dell’energia. Dalle apparecchiature fisse su larga scala ai dispositivi elettronici portatili, le richieste in tal senso sono in costante aumento, generando il problema dello smaltimento delle batterie una volta giunte a fine vita. Tra le soluzioni più promettenti in vista della transizione energetica ci sono le nuove batterie metallo-aria, più sostenibili ed efficienti. Un team di ricercatori giapponese ne ha persino creata una a base di carta.
Le batterie al litio non bastano a sostenere la transizione energetica
Dopo le batterie al piombo-acido e al nichel-cadmio, le batterie agli ioni di litio (LIB) hanno rivoluzionato il settore grazie alla loro maggiore densità di energia. Un gran numero di studi si è concentrato sul miglioramento delle prestazioni elettrochimiche delle LIB, modificando ciascun componente o progettando nuove configurazioni. Tuttavia, la densità di energia massima è limitata e intrinsecamente determinata dalla massa totale effettiva dei materiali degli elettrodi.
La densità di energia delle LIB è infatti molto inferiore a quella della benzina. Per l’applicazione dei veicoli elettrici (EV), per esempio, sarebbe auspicabile raggiungere una percorrenza pari a quelle alimentata a benzina e allo stesso tempo una diminuzione di costo. A questo proposito, le batterie metallo-aria (MAB) di diverse categorie mostrano invece un potenziale enorme.
Cosa sono le batterie metallo-aria (MAB)?
Le batterie metallo-aria si chiamano sinteticamente così perché la loro struttura a celle aperte rende possibile l’uso dell’aria come materiale per gli elettrodi. Una MAB comprende un anodo metallico in un elettrolita e un catodo ad aria incorporato. I metalli che possono essere utilizzati come anodo possono essere sodio, litio, potassio, magnesio, calcio, alluminio, ferro o zinco.
Le batterie metallo-aria sono in realtà la combinazione del design e del funzionamento delle batterie tradizionali e di quelle a celle a combustibile. Hanno un’elevata efficienza energetica da 5 a 30 volte maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio. Sono inoltre spesso considerate un’alternativa sostenibile, non tossica, a basso costo e praticabile, perché i metalli utilizzati per produrla sono abbondanti in natura. Le batterie metallo-aria sono perciò oggi tra i sistemi di accumulo di energia più promettenti con elevate densità di potenza.
Tuttavia, in quanto sistemi elettrochimici complessi, devono ancora affrontare e superare molte sfide. Per esempio, la corrosione, la passivazione, la crescita dei dendriti dell’anodo metallico e la lenta cinetica di reazione del catodo ad aria, che ne limitano prestazioni e applicazione. Tra gli ultimi e più interessanti studi in materia c’è quello del team di ricercatori di un’università giapponese, che hanno sviluppato batterie metallo-aria di carta.
Le batterie metallo-aria di carta
Per quasi due millenni la carta è stata un elemento fondamentale della civiltà umana. Oggi che il suo utilizzo per la scrittura e la lettura non è più così centrale, potrebbe trovare altre applicazioni nelle industrie legate alla transizione ecologica. Tra queste, la produzione di batterie più sostenibili ed efficienti, che alimentino l’elettrificazione dei consumi.
I dispositivi leggeri e sottili a base di carta aiutano a ridurre la dipendenza da metalli e plastiche e sono più facili da smaltire. Dai dispositivi diagnostici cartacei che consentono il rilevamento rapido ed economico delle malattie infettive alle batterie e ai dispositivi energetici che offrono un’alternativa rispettosa dell’ambiente per la produzione di energia, gli scienziati stanno trovando modi ingegnosi per utilizzare questo materiale versatile.
Un team di ricercatori dell’Università di Tohoku in Giappone, per esempio, ha pubblicato uno studio su una batteria metallo-aria, e in particolare magnesio-aria (MG-aria) ad alte prestazioni, a base di carta e attivata dall’acqua.
«Abbiamo tratto ispirazione per questo dispositivo dal meccanismo di respirazione delle piante», sottolinea Hiroshi Yabu. «La fotosintesi è analoga al processo di carica e scarica delle batterie. Proprio come le piante sfruttano l’energia solare per sintetizzare lo zucchero dall’acqua nel terreno e l’anidride carbonica dall’aria, la nostra batteria utilizza il magnesio come substrato per generare energia dall’ossigeno e dall’acqua».
Per fabbricare la batteria, Yabu e i colleghi hanno incollato un foglio di magnesio sulla carta e hanno aggiunto il catalizzatore catodico e lo strato di diffusione del gas direttamente sull’altro lato della carta. La batteria di carta ha raggiunto una tensione a circuito aperto di 1,8 volt, una densità di corrente di 1,0 volt di 100 mA/cm² e una potenza massima di 103 milliwatt/cm².
«Non solo la batteria ha dimostrato risultati prestazionali impressionanti, ma funziona senza l’uso di materiali tossici, utilizzando invece catodi di carbonio e un elettro-catalizzatore a pigmenti che hanno superato rigorose valutazioni», aggiunge Yabu.
I ricercatori hanno inoltre messo alla prova la batteria in un sensore pulsossimetro e in un sensore GPS, dimostrandone la versatilità per i dispositivi indossabili.
