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Batterie più sicure e più durature
Sebbene i recenti massicci richiami abbiano evidenziato problemi di sicurezza delle batterie agli ioni di litio, le tecnologie delle batterie odierne presentano in realtà una serie di punti deboli. Se danneggiate, sovraccaricate o surriscaldate, le batterie possono esplodere (vedere Batterie agli ioni di litio più sicure ). Ma perdono anche energia e perdono potenza e longevità se utilizzati a temperature estreme, ad esempio in una giornata invernale in Iowa o in un'ondata di caldo in Arizona.
Le batterie a film sottile di lunga durata potrebbero alimentare impianti medici e sensori remoti per decenni e alla fine essere utilizzate nei veicoli elettrici.
Presto sarà disponibile in commercio un nuovo tipo di batteria ricaricabile che risolverà questi problemi. Ma a un costo.
Queste nuove batterie sostituiscono l'elettrolita liquido o gel con strati sottili di materiali solidi simili al vetro o polimerici, che sono più stabili. Niente può fuoriuscire, niente può congelarsi, niente può bollire, rompersi o esplodere, afferma Tim Bradow, vicepresidente dello sviluppo aziendale presso Infinite Power Solutions di Golden, CO, uno dei principali sviluppatori di batterie a film sottile.
In una batteria, l'elettrolita consente agli ioni positivi di spostarsi da un elettrodo all'altro, costringendo gli elettroni a viaggiare attraverso un circuito esterno, fornendo energia. La compagnia di Bradow e una manciata di altri stanno usando un solido elettrolita vetroso, che depositano come uno di una serie di strati piatti che compongono la batteria.
Oltre ad essere più sicuro, questo materiale solido consente agli sviluppatori di utilizzare elettrodi di puro metallo di litio, che ha il potenziale per aumentare significativamente la capacità di stoccaggio. Le batterie possono sopravvivere a temperature estreme di freddo e caldo, il che significa, ad esempio, che potrebbero essere integrate in pneumatici di gomma per alimentare i sensori di pressione dell'aria, afferma John Bates, direttore tecnico di Oak Ridge Micro-Energy nel Tennessee.
Le celle a film sottile possono anche essere conservate per decenni e conservare quasi tutta la loro carica, affermano gli sviluppatori, e fornire una potente esplosione di energia quando finalmente necessario. E, in molte applicazioni, possono essere utilizzati attivamente per decenni, poiché possono essere caricati e scaricati decine di migliaia di volte.
Queste caratteristiche rendono le batterie a film sottile ideali per alcune nuove tecnologie. I sensori remoti che recuperano minuscole quantità di energia da vibrazioni, trasmissioni radio o luce, richiedono batterie in grado di immagazzinare questa micro-approvvigionamento energetico senza disperderlo nel tempo. E i sensori remoti hanno bisogno dei burst ad alta potenza che molte di queste celle possono fornire, per inviare dati tramite segnali radio a una stazione centrale.
La capacità di alimentare la trasmissione radio è importante anche per i futuri impianti medici che forniranno farmaci o misureranno i livelli di glucosio. E queste applicazioni beneficeranno anche della lunga durata delle batterie; possono essere ricaricati e scaricati per molti anni, eliminando la necessità di un intervento chirurgico per sostituirli. È il tipo di batteria perfetto per alimentare qualsiasi dispositivo RF, perché si accende immediatamente e poi entra in modalità di sospensione, afferma Bradow. Questo è ciò che la nostra batteria ama e le altre batterie odiano. La sua azienda prevede di iniziare a produrre in serie le sue batterie l'anno prossimo.
Tuttavia, le batterie a film sottile potrebbero non essere la scelta di prossima generazione per la maggior parte dei laptop. Questo perché i processi utilizzati per realizzarli, come la deposizione fisica da vapore, sono ancora troppo costosi per la produzione di batterie di grandi dimensioni. Inoltre, queste batterie, che possono essere spesse solo un decimo di millimetro, contengono ciascuna solo micro-quantità di energia, fino a un millesimo della quantità nelle batterie dei laptop di oggi. Sebbene possano essere impilati per fornire un'adeguata capacità di stoccaggio, gli strati di imballaggio che separano i materiali attivi in ciascuna batteria annullerebbero i loro vantaggi in termini di capacità. Cioè, probabilmente costerebbero di più, ma non necessariamente sarebbero più piccoli.
Le prime applicazioni, come nei pacchetti di sensori industriali in apparecchiature ad alta temperatura o pozzi petroliferi, saranno quelle in cui gli acquirenti sono disposti a pagare $ 100 a testa per batterie che soddisfano le loro esigenze. Bradow afferma che le loro batterie potrebbero essere realizzate per molto meno in volumi elevati, tuttavia, rendendole alla fine pratiche per le reti di sensori distribuite.
Nonostante gli attuali svantaggi delle batterie a film sottile, Donald Sadoway, professore di chimica dei materiali al MIT, afferma che alcune versioni di esse alimenteranno laptop e veicoli elettrici in futuro. A suo avviso, il loro vantaggio chiave, oltre alla sicurezza, è che consentono l'uso di litio puro in uno degli elettrodi, cosa che non è possibile utilizzando elettroliti liquidi: se puoi passare al litio, hai raggiunto il massimo in capacità anodica, dice.
In contrasto con l'elettrolita simile al vetro utilizzato da Infinite Power Solutions e altri, Sadoway ha sviluppato un elettrolita a polimero solido (le batterie ai polimeri di ioni di litio di oggi utilizzano un gel) da utilizzare nelle batterie a film sottile. Questo elettrolita, dice, potrebbe essere lavorato in rotoli come giornali, o qualche altro processo ad alta produttività. Un tale processo per le batterie a film sottile, sebbene non sia ora in fase di sviluppo da parte dell'industria, potrebbe ridurre i costi, afferma, mentre metodi innovativi di confezionamento degli elettrodi potrebbero ridurre le dimensioni. Abbiamo realizzato batterie in laboratorio che sono 300 wattora per chilogrammo, dice. È due volte la migliore [batteria] agli ioni di litio sul mercato oggi.