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Le nuove batterie in schiuma promettono una ricarica rapida, una maggiore capacità
Nonostante miliardi di dollari di investimenti e il lancio di diverse startup di alto profilo, il settore energetico deve ancora affrontare una sfida fondamentale e apparentemente insolubile: è molto difficile immagazzinare molta energia in modo compatto, duraturo e a basso costo . Un numero crescente di ricercatori spera di risolverlo con quelle che sono note come batterie tridimensionali, che possono assumere diverse forme ma tendono ad avere strutture porose, simili a spugne, al contrario della tradizionale forma 2-D: sottili strati di metallo in una soluzione di elettrolita liquido all'interno di una scatola (vedi Una batteria e batterie per smartwatch estensibili, pieghevoli e più potenti: la forma più economica di alimentazione di rete?).
Negli ultimi mesi, una startup ha chiamato Batteria Prieto , creata dalla Colorado State University di Fort Collins, è riuscita a produrre quella che la fondatrice Amy Prieto chiama la prima vera batteria 3D che può essere caricata e scaricata e che manterrà la carica, in altre parole, che soddisfi i requisiti di base di una batteria convenzionale. Le batterie 3-D potrebbero essere più economiche da produrre, più veloci da caricare, più sicure, più piccole e meno tossiche per l'ambiente rispetto alle batterie convenzionali. Inoltre, poiché possono essere resi leggeri, flessibili e in una varietà quasi illimitata di forme, potrebbero offrire applicazioni di accumulo di energia prima inimmaginabili.
La batteria a stato solido 3-D di Prieto rappresenta due radicali allontanamenti dalle batterie di oggi: di cosa sono fatte e come sono fatte. Nel laboratorio di Prieto, appena sotto le pendici delle Montagne Rocciose, una serie di otto bidoni pieni di acqua poco profonda si trovano in un tavolo incassato. Accanto alla linea c'è una rastrelliera con rotoli di schiuma di rame di densità variabile. La schiuma è la materia prima per le batterie, su cui l'anodo, fatto di antimonide di rame (rame miscelato con antimonio), è galvanizzato. La schiuma è così porosa che è principalmente aria, ma un piccolo frammento potrebbe contenere un'enorme superficie. Aumentando la superficie si riduce la distanza che gli ioni devono percorrere, aumentando così sia la potenza che la densità di energia.
Una volta che la schiuma è stata rivestita con l'anodo, viene stratificata con un elettrolita polimerico che fornisce una barriera fisica attraverso la quale gli ioni (ma non gli elettroni) possono muoversi. Infine, il catodo viene applicato sotto forma di un impasto liquido scuro e color inchiostro. Il prodotto finale è una batteria in schiuma di un paio di pollici di diametro e dello spessore di un foglio di carta. Sigillate in una custodia di plastica, le batterie Prieto possono caricarsi rapidamente, immagazzinare fino al doppio dell'energia per unità di volume rispetto alle batterie convenzionali e non hanno la sfortunata tendenza al surriscaldamento delle batterie agli ioni di litio.
L'idea di utilizzare materiali porosi per i componenti delle batterie non è nuova: molte batterie convenzionali al piombo, ad esempio, utilizzano schiuma di piombo nell'anodo. L'idea di un'intera batteria realizzata con un'architettura interna porosa è nata dal lavoro di Debra Rolison, una chimica ricercatrice presso il Naval Research Laboratory che dirige la sezione Advanced Electrochemical Materials del laboratorio. Rolison ha iniziato a ricercare nuovi materiali catalizzatori per celle a combustibile all'inizio degli anni '90 e nel 1998 ha proposto una batteria composta da aerogel di carbonio, materiali porosi in cui è possibile inserire un materiale catodico per creare una batteria 3-D. Quando ha presentato l'idea per la prima volta, dice, il 99 percento delle persone pensava che fossi impazzito. Ma un certo numero di ricercatori stanno ora perseguendo il concetto, alcuni con nuovi materiali come funghi portabella e cellulosa da polpa di legno .
La tecnologia delle batterie 3-D come quella di Prieto, afferma Max Hamedi, un ricercatore di Harvard che sta lavorando su batterie in schiuma elastica realizzate con pasta di legno, ha il potenziale per superare qualsiasi batteria che puoi costruire con sistemi 2-D. Questo lavoro sta esplodendo proprio ora.
Prieto ha cercato sin dall'inizio la semplicità, utilizzando materiali comuni in un processo di produzione a basso costo che può essere facilmente ampliato. Il primo prodotto dell'azienda non è una batteria completa, ma un anodo in schiuma di rame sostitutivo che sostituirà gli anodi di grafite nelle batterie convenzionali. A settembre Prieto ha annunciato una partnership con Intel che consente alla startup di attingere all'esperienza del Technology Manufacturing Group del produttore di chip. I primi anodi sostitutivi di Prieto potrebbero essere sul mercato entro la fine del 2016, afferma il suo fondatore, e una batteria completa potrebbe seguire entro il 2018.
Ci sono, ovviamente, altre aziende che guidano l'innovazione nelle batterie a stato solido. Sakti3 sta lavorando su batterie agli ioni di litio a stato solido che sono da metà a un terzo delle dimensioni dei sistemi convenzionali, con la stessa capacità di accumulo di energia (vedi Una batteria rivoluzionaria ottiene un grande sostenitore). Seeo, una startup californiana focalizzata sulle batterie allo stato solido con anodi al litio-metallo, è stata recentemente acquisita da Bosch, uno dei principali fornitori dell'industria automobilistica (vedi Una batteria prototipo potrebbe raddoppiare la gamma di auto elettriche). Nessuna di queste società utilizza un'architettura in schiuma 3D.
Vediamo il potenziale per la tecnologia di Prieto di contribuire alle innovazioni nei dispositivi indossabili, dove le batterie a stato solido con un'elevata densità di energia potrebbero consentire nuovi avvincenti utilizzi, afferma Mark Pontarelli, direttore generale dell'incubatore aziendale interno di Intel. La schiuma di rame può essere utilizzata per creare batterie che riempiono con precisione gli spazi vuoti in un progetto, fornendo una maggiore durata della batteria senza aumentare le dimensioni del prodotto.
Come indica Pontarelli, è probabile che le prime applicazioni siano di piccole dimensioni, ad esempio nei sistemi indossabili e nell'elettronica di consumo, ma non vi è alcun motivo evidente per cui le batterie in schiuma non potrebbero funzionare nei veicoli elettrici e, un giorno, nei sistemi di accumulo a scala di rete.