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Una guida ai recenti progressi della batteria
Veicoli elettrici, ibridi ed energie rinnovabili hanno almeno una cosa in comune: se mai saranno più ampiamente utilizzati, rappresentando la maggior parte delle auto in circolazione o una grande quota della fornitura di energia elettrica, le batterie devono migliorare notevolmente . Le batterie dovranno immagazzinare più energia, fornirla più velocemente e in modo più affidabile e, in definitiva, costare molto meno. I modi specifici in cui le batterie devono migliorare variano a seconda dell'applicazione, ma in tutte queste aree i ricercatori hanno compiuto progressi significativi.
La scorsa settimana, i ricercatori del MIT guidati da Yang-Shao Horn, professore di scienza dei materiali e ingegneria e ingegneria meccanica, e Paula Hammond, professore di ingegneria chimica, hanno annunciato un nuovo approccio alle batterie agli ioni di litio ad alta potenza, il tipo che è utile per veicoli ibridi o per stabilizzare la rete elettrica. Le batterie ad alta potenza accettano e forniscono la carica rapidamente. Negli ibridi, l'obiettivo è quello di integrare il motore a benzina, permettendogli di funzionare nella sua massima efficienza. La batteria guida l'auto a basse velocità per brevi distanze e aumenta l'accelerazione, riducendo la richiesta al motore. Cattura anche energia dalla frenata che altrimenti andrebbe persa sotto forma di calore. Per la rete elettrica, tali batterie potrebbero tamponare i cambiamenti nella domanda e nell'offerta di elettricità, cosa che sta diventando sempre più importante con l'introduzione di fonti di elettricità più variabili, come l'energia eolica e solare.
I ricercatori del MIT hanno dimostrato un nuovo elettrodo per batteria, basato su nanotubi di carbonio appositamente trattati, che durano per migliaia di cicli senza alcuna perdita di prestazioni. Le batterie realizzate con questi elettrodi potrebbero fornire energia sufficiente per azionare grandi furgoni per le consegne o camion della spazzatura, ad esempio, senza che le batterie siano troppo pesanti per essere pratiche. (I ricercatori devono aumentare lo spessore degli elettrodi affinché siano pratici in queste applicazioni.) Aziende come A123 Systems, con sede a Watertown, MA, hanno anche sviluppato batterie agli ioni di litio ad altissima potenza e altri gruppi accademici e le startup stanno sviluppando ultracondensatori basati su nanotubi di carbonio, che immagazzinano energia utilizzando un meccanismo diverso rispetto alle batterie, particolarmente utile per l'elevata potenza e la lunga durata.
Mentre i nuovi elettrodi potrebbero eventualmente essere utili per gli ibridi e per stabilizzare la rete, non sono particolarmente utili per altre applicazioni come i veicoli completamente elettrici. Per i veicoli elettrici, la quantità totale di energia immagazzinata dalle batterie è più importante della velocità con cui tale energia può essere erogata, poiché è la quantità totale che determina la distanza che possono percorrere queste auto tra una ricarica e l'altra. I ricercatori del MIT che hanno sviluppato i nuovi elettrodi di nanotubi di carbonio stanno anche sviluppando un diverso tipo di batteria per immagazzinare grandi quantità di energia. Chiamata batteria al litio, in cui uno dei due elettrodi di una batteria viene sostituito da un'interfaccia con l'aria, la tecnologia ha recentemente attirato grandi quantità di finanziamenti governativi e interesse da parte di aziende come IBM. In teoria, tali batterie potrebbero immagazzinare tre volte più energia delle tradizionali batterie agli ioni di litio. Ma il design ha una serie di problemi che lo rendono difficile da commercializzare, tra la vulnerabilità dei suoi materiali attivi all'umidità (il metallo di litio che utilizza può prendere fuoco se si bagna) e la tendenza delle batterie a smettere di funzionare dopo essere state ricaricate appena alcune volte.
Come le batterie al litio-aria, altre potenziali tecnologie di batterie ad alta energia devono affrontare una serie di ostacoli, il che potrebbe aiutare a spiegare perché gli ibridi con le loro batterie ad alta potenza piuttosto che ad alta energia hanno avuto più successo dei veicoli elettrici. Molti dei prodotti chimici più promettenti per le batterie sono troppo difficili da realizzare su larga scala, si sfaldano dopo pochi cicli o sono troppo costosi. Secondo il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i pacchi batteria completi oggi costano tra $ 800 e $ 1.200 al chilowattora e immagazzinano da 100 a 120 wattora per chilogrammo. Per rendere i veicoli elettrici pratici e convenienti, il DOE vorrebbe vedere i costi scendere a $ 250 per chilowattora e aumentare la capacità di stoccaggio a oltre 200 wattora per chilogrammo. (Il raggiungimento di questi obiettivi richiederà capacità di archiviazione ancora più elevate per le singole celle della batteria che compongono i pacchi batteria, circa 400 wattora per chilogrammo.)
Sebbene sia difficile migliorare le batterie per i veicoli ibridi e elettrici, una delle maggiori sfide a lungo termine per i ricercatori di batterie è realizzare batterie in grado di immagazzinare a basso costo grandi quantità di energia generata da pannelli solari e turbine eoliche, in modo che l'elettricità da queste fonti sia disponibile quando il sole non splende o il vento non soffia. Per ora, tali batterie non sono necessarie: c'è abbastanza energia da fonti convenzionali per compensare il gioco. Ma se il solare e l'eolico riusciranno mai a fornire la maggior parte dell'elettricità, sarà necessario lo stoccaggio e le batterie oggi sono troppo costose. L'obiettivo del DOE per tali batterie è inferiore a $ 100 per chilowattora, meno della metà dell'obiettivo per i veicoli elettrici. Oggi è più economico costruire una centrale elettrica a gas naturale come fonte di energia di riserva o immagazzinare energia pompando acqua in salita, dove può poi scorrere in discesa per far girare un generatore. Un approccio sperimentale a tali batterie a basso costo è qualcosa chiamato batteria liquida, che utilizza materiali economici per batterie che si assemblano da soli.
Anche se i problemi con le batterie vengono risolti in laboratorio, queste tecnologie incontrano ostacoli alla commercializzazione. Per ridurre i costi, i produttori di batterie si stanno rivolgendo ad applicazioni diverse dai veicoli elettrici e dalla rete per far decollare nuove tecnologie, applicazioni come la microelettronica, gli elettroutensili e le auto da corsa. Gli ibridi plug-in possono anche fungere da ponte verso i veicoli elettrici. I plug-in utilizzano generatori di riserva alimentati a gas per estendere la loro gamma, consentendo alle case automobilistiche di utilizzare pacchi batteria più piccoli e meno costosi di quelli necessari per i veicoli elettrici. Case automobilistiche come GM, con la sua Chevrolet Volt in uscita quest'anno, stanno adottando questo approccio. I veicoli elettrici in vendita ora, e che saranno in vendita nei prossimi anni, sono costose auto sportive e veicoli di lusso, dove i costi possono essere elevati, oppure i loro costi iniziali vengono ridotti utilizzando finanziamenti creativi, come il leasing di batterie pacchetti o offrire piani per miglio qualcosa di simile ai piani per minuto offerti dalle compagnie di telefonia mobile.