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IBM investe nella ricerca sulle batterie
Ricerca IBM sta iniziando un progetto ambizioso che si spera porterà alla commercializzazione di batterie che immagazzinano 10 volte più energia di oggi entro i prossimi cinque anni. La società collaborerà con i laboratori nazionali degli Stati Uniti per sviluppare una tecnologia promettente ma controversa che utilizza il metallo di litio ad alta densità energetica ma altamente infiammabile per reagire con l'ossigeno nell'aria. Il guadagno, afferma la società, sarà una batteria leggera, potente e ricaricabile per la rete elettrica e l'elettrificazione dei trasporti.
Potenza impermeabile: Questo involucro protettivo avvolge un elettrodo della batteria al litio-metallo funzionante, escludendo l'acqua ma lasciando passare gli ioni di litio. Fa parte di un prototipo di batteria realizzato da PolyPlus Battery di Berkeley, in California.
Le batterie al litio metallo-aria possono immagazzinare un'enorme quantità di energia, in teoria più di 5.000 wattora per chilogrammo. È più di dieci volte tanto rispetto alle batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni di oggi e più di un'altra classe di dispositivi di accumulo di energia: le celle a combustibile. Invece di contenere un secondo reagente all'interno della cella, queste batterie reagiscono con l'ossigeno nell'aria che viene aspirata secondo necessità, rendendole leggere e compatte.
IBM sta perseguendo la tecnologia rischiosa invece delle batterie agli ioni di litio perché ha il potenziale per raggiungere densità di energia abbastanza elevate da cambiare il sistema di trasporto, afferma Chandrasekhar Narayan , manager della scienza e della tecnologia presso l'Almaden Research Center di IBM, a San Jose, in California. Con tutti gli sviluppi prevedibili, le batterie agli ioni di litio diventeranno solo circa due volte migliori di quanto non siano oggi, dice. Per avere davvero un impatto sui trasporti e sulla rete, è necessaria una densità energetica maggiore. Uno degli obiettivi del progetto, afferma Narayan, è una batteria leggera da 500 miglia per un'auto di famiglia. Il Chevy Volt può percorrere 40 miglia prima di utilizzare il serbatoio del gas, e Modello S . di Tesla Motors la linea può percorrere fino a 300 miglia senza ricarica.
Una delle sfide principali nella produzione di batterie al litio metallo-aria è che l'aria non è solo ossigeno, afferma Jeff Dahn , professore di scienza dei materiali alla Dalhousie University, in Nuova Scozia. Dove c'è aria c'è umidità, e l'umidità è la morte del litio, dice Dahn. Quando il litio metallico incontra l'acqua, ne consegue una reazione esplosiva. Queste batterie richiedono membrane protettive che escludono l'acqua ma lasciano entrare l'ossigeno e sono stabili nel tempo.
IBM non dispone attualmente di programmi di ricerca sulle batterie. Tuttavia, Narayan afferma che IBM ha le competenze necessarie per affrontare i problemi scientifici. Oltre a Oak Ridge, IBM collaborerà con i laboratori nazionali Lawrence Berkeley, Lawrence Livermore, Argonne e Pacific Northwest. L'azienda e i suoi collaboratori stanno attualmente lavorando a una proposta di finanziamento da parte del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti nell'ambito dell'Advanced Research Projects Agency-Energy.
La ricerca sulle batterie al litio-metallo si è interrotta circa 20 anni fa. Nel 1989, la società canadese Moli Energy ha richiamato le sue batterie ricaricabili al litio-metallo, che non utilizzavano aria ma un catodo più tradizionale, dopo che uno ha preso fuoco; l'incidente ha portato ad azioni legali e la società ha dichiarato bancarotta. Poco dopo, Sony ha lanciato sul mercato le prime batterie ricaricabili agli ioni di litio, che erano più sicure, e la ricerca sugli elettrodi in metallo di litio ha rallentato quasi fino a fermarsi. (Dopo la ristrutturazione, Moli Energy ha riorientato i suoi sforzi di ricerca e ora vende batterie agli ioni di litio con il nome Molicel .) Solo una manciata di laboratori in tutto il mondo, compresi quelli a Batteria PolyPlus , a Berkeley, CA, Giappone AIST , e Università di St. Andrews , in Scozia, stanno attualmente lavorando su batterie al litio-aria.
Quando vengono ricaricate, possono sorgere problemi di sicurezza con le batterie al litio-metallo. Quando carichi e scarichi, devi galvanizzare e spogliare il metallo più e più volte, dice Dahn, che non è un collaboratore del progetto IBM. Nel tempo, proprio come in una batteria agli ioni di litio, la superficie del metallo di litio diventa ruvida, il che può portare a un'instabilità termica, quando la batteria brucia letteralmente fino a esaurire tutti i reagenti all'interno. Ma Narayan afferma che le batterie al litio-aria sono intrinsecamente più sicure delle batterie al litio-metallo sviluppate in precedenza e delle batterie agli ioni di litio di oggi perché solo uno dei reagenti è contenuto nella cella. Una cella al litio ha bisogno di aria dall'esterno, afferma Narayan. Non avrai mai una reazione incontrollata perché l'aria è limitata.
PolyPlus Battery ha lavorato sulla tecnologia al litio metallo-aria per circa sei anni e ha alcune prove drammatiche della fattibilità della tecnologia: galleggiando tra i pesci pagliaccio in un acquario presso la sede dell'azienda, una batteria al litio-metallo assorbe ossigeno dall'acqua salata per alimentare un LED verde. L'azienda ha anche sviluppato un prototipo di batteria che estrae l'ossigeno dall'aria ambiente. Ma Steven Visco, fondatore e vicepresidente della ricerca presso l'azienda, afferma che le batterie al litio metallo-aria sono ancora una tecnologia giovane che non è pronta per essere commercializzata.
Narayan di IBM indica due problemi principali rimanenti con la tecnologia al litio metallo-aria. Innanzitutto, il design del catodo deve essere ottimizzato in modo che l'ossido di litio che si forma quando l'ossigeno viene tirato all'interno della batteria non blocchi i canali di aspirazione dell'ossigeno. In secondo luogo, sono necessari catalizzatori migliori per guidare la reazione inversa che ricarica la batteria.
Narayan afferma che non sarà chiaro quanti soldi e quanto tempo impiegherà il progetto fino a circa un anno e mezzo da oggi, dopo l'inizio della ricerca. Stima che l'azienda dedicherà circa cinque anni al progetto. IBM probabilmente non produrrà le batterie ma concederà in licenza la tecnologia ai produttori.