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Batterie ad alta energia in arrivo sul mercato
Una società svizzera afferma di aver sviluppato batterie zinco-aria ricaricabili che possono immagazzinare tre volte l'energia delle batterie agli ioni di litio, in volume, mentre costano solo la metà. Rivolta , di Staefa, Svizzera, prevede di vendere piccole batterie a bottone per apparecchi acustici a partire dal prossimo anno e di incorporare la sua tecnologia in batterie sempre più grandi, introducendo batterie per cellulari e biciclette elettriche nei prossimi anni. Sta anche iniziando a sviluppare batterie di grande formato per veicoli elettrici.
Batteria disimballata: Questo grafico illustra la struttura multistrato di una batteria zinco-aria ricaricabile ReVolt. Dall'alto verso il basso: il coperchio della batteria, che lascia entrare l'aria; un elettrodo ad aria porosa; l'interfaccia tra gli elettrodi; l'elettrodo di zinco; l'involucro.
Il design della batteria si basa su una tecnologia sviluppata presso SINTEF , un istituto di ricerca a Trondheim, Norvegia. ReVolt è stata fondata per portarlo sul mercato e finora ha raccolto 24 milioni di euro di investimenti. James McDougall, amministratore delegato dell'azienda, afferma che la tecnologia supera il problema principale delle batterie ricaricabili zinco-aria, che in genere smettono di funzionare dopo un numero relativamente basso di ricariche. Se la tecnologia può essere potenziata, le batterie zinco-aria potrebbero rendere più pratici i veicoli elettrici abbassandone i costi e aumentandone l'autonomia.
A differenza delle batterie convenzionali, che contengono tutti i reagenti necessari per generare elettricità, le batterie zinco-aria si basano sull'ossigeno dell'atmosfera per generare corrente. Alla fine degli anni '80 erano considerate una delle tecnologie delle batterie più promettenti a causa della loro elevata capacità teorica di accumulo di energia, afferma Gary Henriksen , responsabile del reparto di accumulo di energia elettrochimica presso Laboratorio Nazionale Argonne nell'Illinois. La chimica della batteria è anche relativamente sicura perché non richiede materiali volatili, quindi le batterie zinco-aria non sono inclini a prendere fuoco come le batterie agli ioni di litio.
A causa di questi vantaggi, le batterie zinco-aria non ricaricabili sono da tempo sul mercato. Ma renderli ricaricabili è stata una sfida. All'interno della batteria, un elettrodo ad aria porosa aspira ossigeno e, con l'aiuto di catalizzatori all'interfaccia tra l'aria e un elettrolita a base d'acqua, lo riduce per formare ioni ossidrile. Questi viaggiano attraverso un elettrolita fino all'elettrodo di zinco, dove lo zinco viene ossidato, una reazione che rilascia elettroni per generare una corrente. Per la ricarica, il processo è inverso: l'ossido di zinco viene riconvertito in zinco e l'ossigeno viene rilasciato all'elettrodo ad aria. Ma dopo ripetuti cicli di carica e scarica, l'elettrodo ad aria può disattivarsi, rallentando o arrestando le reazioni dell'ossigeno. Ciò può essere dovuto, ad esempio, all'elettrolita liquido che viene gradualmente tirato troppo in là nei pori, afferma Henriksen. La batteria può anche guastarsi se si secca o se lo zinco si accumula in modo non uniforme, formando strutture simili a rami che creano un cortocircuito tra gli elettrodi.
ReVolt afferma di aver sviluppato metodi per controllare la forma dell'elettrodo di zinco (utilizzando determinati agenti gelificanti e leganti) e per gestire l'umidità all'interno della cella. Ha anche testato un nuovo elettrodo ad aria che ha una combinazione di catalizzatori accuratamente dispersi per migliorare la riduzione dell'ossigeno dall'aria durante lo scarico e per aumentare la produzione di ossigeno durante la carica. I prototipi hanno funzionato bene per oltre cento cicli e si prevede che i primi prodotti dell'azienda saranno utili per un paio di centinaia di cicli. McDougall spera di aumentarlo tra 300 e 500 cicli, il che li renderà utili per telefoni cellulari e biciclette elettriche.
Per i veicoli elettrici, ReVolt sta sviluppando una nuova struttura della batteria che ricorda quella di una cella a combustibile. Le sue prime batterie utilizzano due elettrodi piatti, di dimensioni comparabili. Nelle nuove batterie, un elettrodo sarà un liquido, un impasto liquido di zinco. Gli elettrodi dell'aria saranno sotto forma di tubi. Per generare elettricità, la sospensione di zinco, immagazzinata in un compartimento della batteria, viene pompata attraverso i tubi dove viene ossidata, formando ossido di zinco e rilasciando elettroni. L'ossido di zinco si accumula quindi in un altro scomparto della batteria. Durante la ricarica, l'ossido di zinco rifluisce attraverso l'elettrodo ad aria, dove rilascia ossigeno, formando nuovamente zinco.
Nella batteria del veicolo pianificata dall'azienda, la quantità di impasto liquido di zinco può essere molto maggiore della quantità di materiale nell'elettrodo ad aria, aumentando la densità di energia. In effetti, il sistema sarebbe come un sistema a celle a combustibile o un motore convenzionale, in quanto l'impasto liquido di zinco agirebbe essenzialmente come un pompaggio di carburante attraverso l'elettrodo dell'aria come l'idrogeno in una cella a combustibile o la benzina in un motore a combustione. McDougall afferma che le batterie potrebbero anche durare più a lungo, da 2.000 a 10.000 cicli. E, se una parte si guasta, come l'elettrodo dell'aria, potrebbe essere sostituita, eliminando la necessità di acquistare una batteria completamente nuova.
Come con le celle a combustibile, questo sistema potrebbe dover essere abbinato a un altro tipo di batteria per scatti di accelerazione o per catturare energia da processi come la frenata. Inoltre, Henriksen osserva che altre batterie sperimentali zinco-aria hanno già raggiunto 200 cicli.
Il successo commerciale del design piatto più convenzionale potrebbe dipendere da altri fattori, ad esempio se le nuove batterie forniscono energia a velocità più elevate rispetto ad altre batterie sperimentali zinco-aria, come sostiene l'azienda, e se gli obiettivi per un numero di cicli più elevato possono essere raggiunti. Il nuovo design basato su tubo è ancora lontano anni dalla produzione.