L’alluminio mostra il potenziale per batterie più sicure ed economiche

Una buona batteria ha bisogno di due cose: un’elevata densità di energia per alimentare i dispositivi; e stabilità, quindi può essere ricaricato in modo sicuro e affidabile migliaia di volte. Negli ultimi tre decenni, le batterie agli ioni di litio hanno regnato sovrane, dimostrando le loro prestazioni su smartphone, laptop e veicoli elettrici.

Ma i ricercatori nel settore delle batterie hanno iniziato ad avvicinarsi ai limiti degli ioni di litio. Con l’arrivo sul mercato dei veicoli a lungo raggio e degli aerei elettrici di prossima generazione, la ricerca di sistemi di batterie più sicuri, economici e potenti in grado di superare le prestazioni degli ioni di litio sta aumentando.

Un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology, guidato dall’ingegnere Matthew McDowell, sta utilizzando un foglio di alluminio per creare batterie con una maggiore densità di energia e maggiore stabilità. Il nuovo sistema di batterie del team, descritto in dettaglio in Nature Communications, potrebbe consentire ai veicoli elettrici di funzionare più a lungo con una singola carica e sarebbe più economico da produrre, pur avendo un impatto positivo sull’ambiente.

"Uno dei vantaggi del nostro anodo di alluminio è che consente miglioramenti delle prestazioni e può essere molto conveniente"

-McDowell

Questo lavoro è stato svolto in parte presso il Georgia Tech Institute for Electronics and Nanotechnology, membro della National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, supportata dalla National Science Foundation degli Stati Uniti.

"Siamo sempre alla ricerca di batterie con una densità di energia più elevata, che consentano ai veicoli elettrici di percorrere distanze più lunghe con una carica", ha affermato McDowell. "Possiamo utilizzare l'alluminio come materiale per le batterie, perché è economico, altamente riciclabile e facile da lavorare."

Se utilizzato in una batteria convenzionale agli ioni di litio, l'alluminio si frattura e si guasta in pochi cicli di carica-scarica a causa dell'espansione e della contrazione mentre il litio entra ed esce dal materiale. Gli sviluppatori conclusero che l'alluminio non era un materiale utilizzabile per le batterie e l'idea fu in gran parte abbandonata.

Ora sono entrate in scena le batterie allo stato solido. Mentre le batterie agli ioni di litio contengono un liquido infiammabile che può provocare incendi, le batterie allo stato solido contengono un materiale solido che non è infiammabile e, quindi, probabilmente più sicuro. Le batterie a stato solido consentono inoltre l’integrazione di nuovi materiali attivi ad alte prestazioni.

I ricercatori hanno aggiunto piccole quantità di altri materiali all'alluminio per creare lamine con particolari "microstrutture" o disposizioni di materiali diversi. Gli ingegneri hanno testato più di 100 materiali diversi per capire come si comporterebbero nelle batterie.

L’anodo di alluminio potrebbe immagazzinare più litio rispetto ai materiali anodici convenzionali e quindi più energia. Alla fine, i ricercatori hanno creato batterie ad alta densità di energia che potrebbero potenzialmente superare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio.

"Uno dei vantaggi del nostro anodo di alluminio è che consente miglioramenti delle prestazioni e può essere molto conveniente", ha affermato McDowell. "Quando utilizziamo una pellicola direttamente come componente della batteria, in realtà eliminiamo molte fasi di produzione che normalmente sarebbero necessarie per produrre un materiale per batteria."

Diverse aziende stanno sviluppando aerei elettrici a corto raggio, ma il fattore limitante sono le batterie. Le batterie di oggi non contengono energia sufficiente per far volare gli aerei su distanze superiori a 150 miglia circa. Sono necessarie nuove caratteristiche chimiche delle batterie e le batterie con anodi di alluminio del team potrebbero aprire la porta a tecnologie di batterie più potenti.