Perché gli smartphone possono ottenere un aggiornamento con questa nuova tecnologia della batteria

Ci sono più telefoni cellulari nel mondo di quante ce ne siano. Quasi tutti sono alimentati da batterie ricaricabili agli ioni di litio, che sono il singolo componente più importante che consente la rivoluzione elettronica portatile degli ultimi decenni. Nessuno di questi dispositivi sarebbe attraente per gli utenti se non avessero potenza sufficiente per durare almeno diverse ore, senza essere particolarmente pesanti.

Le batterie agli ioni di litio sono anche utili in applicazioni di grandi dimensioni, come i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo di energia smart-grid. E le innovazioni dei ricercatori nella scienza dei materiali, che cercano di migliorare le batterie agli ioni di litio, stanno aprendo la strada a un numero ancora maggiore di batterie con prestazioni ancora migliori. C'è già una domanda per le batterie ad alta capacità che non prenderanno fuoco o esploderanno. E molte persone hanno sognato batterie più piccole e più leggere che si caricano in pochi minuti - o anche secondi - ma immagazzinano energia sufficiente per alimentare un dispositivo per giorni.

I ricercatori come me, però, stanno pensando ancora più avventurosamente. Le automobili e i sistemi di stoccaggio della griglia sarebbero ancora meglio se potessero essere scaricati e ricaricati decine di migliaia di volte per molti anni o addirittura per decenni. Gli addetti alla manutenzione e i clienti adorerebbero le batterie che potrebbero monitorare se stessi e inviare avvisi se fossero danneggiati o non funzionassero più al massimo delle prestazioni - o addirittura fossero in grado di ripararsi da soli. E non può essere troppo per sognare batterie dual-purpose integrate nella struttura di un oggetto, contribuendo a plasmare la forma di uno smartphone, di un'automobile o di un edificio, alimentando al tempo stesso le sue funzioni.

Tutto ciò potrebbe diventare possibile perché la mia ricerca e gli altri aiutano scienziati e ingegneri a diventare sempre più abili nel controllare e gestire la materia alla scala dei singoli atomi.

Materiali emergenti

Per la maggior parte, i progressi nello stoccaggio di energia si baseranno sul continuo sviluppo della scienza dei materiali, spingendo i limiti delle prestazioni dei materiali delle batterie esistenti e sviluppando strutture e composizioni di batterie completamente nuove.

L'industria delle batterie sta già lavorando per ridurre il costo delle batterie agli ioni di litio, anche rimuovendo il costoso cobalto dai loro elettrodi positivi, chiamati catodi. Ciò ridurrebbe anche il costo umano di queste batterie, perché molte miniere in Congo, la principale fonte mondiale di cobalto, usano i bambini per fare lavori manuali difficili.

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I ricercatori stanno trovando modi per sostituire i materiali contenenti cobalto con catodi fatti principalmente di nichel. Alla fine, potrebbero essere in grado di sostituire il nickel con manganese. Ognuno di questi metalli è più economico, più abbondante e più sicuro con cui lavorare rispetto al suo predecessore. Ma vengono con un compromesso, perché hanno proprietà chimiche che riducono la durata delle batterie.

I ricercatori stanno anche cercando di sostituire gli ioni di litio che si spostano tra i due elettrodi con ioni ed elettroliti che potrebbero essere più economici e potenzialmente più sicuri, come quelli a base di sodio, magnesio, zinco o alluminio.

Il mio gruppo di ricerca esamina le possibilità di utilizzare materiali bidimensionali, essenzialmente fogli di sostanze estremamente sottili con proprietà elettroniche utili. Il grafene è forse il più noto di questi: un foglio di carbonio con un solo atomo di spessore. Vogliamo vedere se impilare strati di vari materiali bidimensionali e poi infiltrarsi nella pila con acqua o altri liquidi conduttivi potrebbero essere componenti chiave delle batterie che si ricaricano molto rapidamente.

Guardando dentro la batteria

Non sono solo i nuovi materiali ad ampliare il mondo dell'innovazione della batteria: nuovi strumenti e metodi consentono anche ai ricercatori di vedere cosa succede all'interno delle batterie molto più facilmente di quanto fosse possibile una volta.

In passato, i ricercatori hanno eseguito una batteria attraverso un particolare processo di scarica di carica o un numero di cicli, quindi rimosso il materiale dalla batteria e esaminato dopo il fatto. Solo allora gli studiosi potranno apprendere quali cambiamenti chimici sono avvenuti durante il processo e dedurre come funziona realmente la batteria e cosa ha influito sulle sue prestazioni.

Ma ora i ricercatori possono osservare i materiali della batteria mentre subiscono il processo di accumulo di energia, analizzando anche la loro struttura atomica e la loro composizione in tempo reale. Possiamo utilizzare sofisticate tecniche di spettroscopia, come le tecniche a raggi X disponibili con un tipo di acceleratore di particelle chiamato sincrotrone, nonché microscopi elettronici e sonde di scansione, per osservare gli ioni muoversi e le strutture fisiche cambiano mentre l'energia viene immagazzinata e rilasciata dai materiali in una batteria.

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Quei metodi permettono ai ricercatori come me di immaginare nuove strutture e materiali per le batterie, di crearli e di vedere quanto - o meno - funzionano. In questo modo, saremo in grado di mantenere la rivoluzione dei materiali della batteria in corso.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Veronica Augustyn. Leggi l'articolo originale qui.