Ecco uno sguardo al prossimo futuro della tecnologia delle batterie

Quando il colonnello Brent Wilson divenne comandante della base a Camp Smith di Oahu, era stato schierato nelle guerre del Golfo e dell’Iraq e aveva guidato numerose operazioni di difesa in Kosovo. Ma il nemico che affrontò nella base hawaiana era diverso da qualsiasi altro avesse visto sul campo di battaglia come pilota di elicotteri del Corpo dei Marines. Ha dovuto fare i conti con un’infrastruttura energetica obsoleta, regolarmente calpestata dal clima tropicale.

“L’intera rete elettrica veniva regolarmente interrotta e ci metteva fuori mercato”, spiega Wilson che, all’epoca, faceva anche parte della squadra responsabile delle operazioni di difesa in tutto il Pacifico. "Non puoi davvero averlo."

Ma la battaglia contro le cattive infrastrutture ha avuto anche un alleato sottoutilizzato: la luce solare. Wilson ha avviato una campagna per l'installazione

pannelli solari e batterie industriali che potrebbero mantenere in linea le parti vitali delle operazioni in caso di tempeste. Quell'esperienza alla fine lo ha aiutato a lanciarsi in una seconda carriera: vendere batterie abbastanza grandi da alimentare la tua casa senza rete.

Il boom della batteria

Il mercato delle batterie è cresciuto a dismisura negli ultimi decenni e si prevede che aumenterà di un altro 12% nei prossimi cinque anni, secondo Intelligenza di Mordor. Entro il 2025 il mercato sarà pari a 90 miliardi di dollari. Negli ultimi dieci anni, aziende come Tesla, Dyson e Daimler hanno tutte effettuato investimenti miliardari nel settore, acquisendo aziende più piccole o costruendo nuove fabbriche. Se quella scena classica da La laurea fossero girati oggi, il consiglio di carriera dato in una sola parola al personaggio di Dustin Hoffman non sarebbe “plastica”, sarebbe “batterie”.

Cosa stimolerà tutta questa crescita? Il prezzo delle batterie agli ioni di litio diminuisce, i dispositivi elettronici personali e le auto elettriche si muovono in mezzo a loro, e, tra gli altri fattori, un numero maggiore di proprietari di case e aziende elettriche che cercano di immagazzinare energia solare ed eolica energia.

Insieme a questa crescita arrivano molti sprechi. Sfortunatamente, la maggior parte delle batterie finisce nelle discariche. I tassi di riciclaggio delle celle agli ioni di litio sono orrendi: A proposito 5% per gli Stati Uniti e l’Unione Europea. I ricercatori stanno trovando modi per rendere le batterie agli ioni di litio più riciclabili, ma anche se ciò accadesse, dovremmo comunque farlo cambiare le abitudini delle persone e delle aziende che non riciclano affatto le batterie e le smaltiscono gettandole nel cestino spazzatura.

Inoltre, alcuni esperti affermano che la quantità di litio disponibile è limitata, anche se la quantità è oggetto di dibattito. L’estrazione dello stesso e del cobalto (che viene comunemente utilizzato per l’elettrodo positivo di una batteria agli ioni di litio) avviene ad un elevato impatto ambientale e costo umano. Inoltre, il prezzo del cobalto è aumentato notevolmente negli ultimi anni.

Tutto ciò fa sorgere la domanda: esistono batterie più economiche e più rispettose dell’ambiente? Potremmo usare qualcosa di meglio? Cosa riserva il futuro?

Molte persone stanno effettuando ricerche su possibilità. Dagli anni ’90, più di 300.000 brevetti relativi alle batterie sono stati depositati (più di 30.000 solo nel 2017). Sebbene una grande percentuale di queste invenzioni sia legata alla tecnologia degli ioni di litio, si sta facendo molto lavoro sull'elettrolita a stato solido, sull'anodo a base di silicio, litio-aria, grafene e altre opzioni, alcune delle quali sono ecologiche e altre che non sono migliori dal punto di vista ambientale degli ioni di litio ma forse di più efficiente.

Sebbene la maggior parte di questi nuovi tipi di batterie probabilmente non saranno commercializzati così ampiamente come quelli agli ioni di litio (almeno nei prossimi due decenni), possono servire mercati di nicchia davvero grandi. Ecco alcuni di quelli popolari.

Fosfato di ferro e litio

Subito dopo il col. Wilson si ritirò dall'esercito, i dirigenti di un'azienda di pannelli solari gli chiesero di immergersi nei suoi anni di acquisizione di sistemi di stoccaggio dell'energia conoscenza (l'esercito è uno dei maggiori utilizzatori di batterie al mondo), fare un viaggio al CES di Las Vegas e osservare l'attuale raccolto di batterie domestiche batterie. Dopo il viaggio, ha creato un gigantesco foglio di calcolo per spiegare perché era insoddisfatto delle opzioni che aveva visto. Le batterie migliori erano troppo costose per il proprietario medio di una casa (più di $ 30.000) o non avevano abbastanza energia. Ha poi lavorato con NeoVolta per creare una linea di batterie, che in genere costano a due cifre molto basse.

Gli esperti chimici attenti all'ambiente te lo diranno subito litio-ferro-fosfato l'accumulo di energia è solo un altro tipo di batteria agli ioni di litio, anche se con alcuni notevoli vantaggi: è più economica, ha energia più densa, durata più lunga e non prende fuoco se le parti interne si rompono (cosa che può accadere con gli ioni di litio batterie). Gli aspetti negativi? È estremamente pesante (motivo per cui è meglio tenerlo in veranda e non nel telefono), la custodia contiene ancora litio e il percorso di riciclaggio non è chiaro.

Pertanto, pochi hanno adottato batterie al litio-ferro-fosfato, rendendo difficile sapere quanto sia buono il loro tasso di riciclaggio. Alcuni ricercatori sostengono che siano più facili da scomporre nei componenti.

Litio-zolfo

Alcuni esperti stanno scommettendo sullo stoccaggio energetico al litio-zolfo per sostituire gli ioni di litio poiché le batterie tendono ad essere più leggere e ad alta densità energetica. Anche lo zolfo è abbondante ed economico.

Qual è la differenza tra il funzionamento delle batterie agli ioni di litio e quelle al litio-zolfo? La professoressa Linda Nazar, il cui laboratorio presso l'Università canadese di Waterloo ha studiato le batterie al litio-zolfo negli ultimi 10 anni, utilizza l'analogia di un garage per descrivere le differenze. Mentre caricare e scaricare una batteria agli ioni di litio è come guidare un'auto dentro e fuori da un parcheggio, la La batteria al litio-zolfo sta “quasi demolendo l’intera struttura del garage per poi ricostruirla quando si ricarica la cellula."

La reazione chimica è simile a quanto avviene in una batteria al piombo dove avviene una completa trasformazione strutturale e chimica. Queste batterie di “conversione” presentano vantaggi e sfide. “Hanno il vantaggio di poter immagazzinare più elettroni”, spiega Nazar. D'altro canto, lo zolfo ha una conduttività relativamente bassa e il volume delle batterie cambia dopo la scarica. Il team del laboratorio dell’Università di Waterloo sta modificando i componenti della batteria per aumentare la durata del ciclo e ottimizzare le reazioni della batteria. Se alcune delle sfide legate alle batterie verranno risolte, Nazar prevede che verranno utilizzate nell’aviazione e nei droni. IL Aerei Zephyr e gli UAV, che hanno effettuato alcuni dei lunghi voli alimentati elettricamente, spesso fanno affidamento su batterie al litio-zolfo.

Ioni di sodio

A quanto pare, l’elemento della tavola periodica che è così dannoso per il tuo cuore è piuttosto buono per le batterie. La ricerca sulle batterie agli ioni di sodio è iniziata negli anni ’70, più o meno nello stesso periodo dello stoccaggio dell’energia agli ioni di litio. I due elementi sono vicini nella tavola periodica. Poi gli ioni di litio presero piede e gli ioni di sodio furono considerati anche una soluzione meno energetica per i successivi tre decenni.

"Sembra la cosa migliore in circolazione", dice Nazar, il cui laboratorio lavora anche con lo stoccaggio di energia a base di sodio. “Le batterie agli ioni di sodio danno la possibilità di lavorare con elementi abbondanti sulla terra – elettrodi positivi fatti di cose come ferro, manganese e titanio – elementi che hanno un costo molto più basso. Ma far funzionare bene questa chimica è una sfida perché non è la stessa cosa del litio”.

Nazar osserva che alcune aziende non ritengono che valga la pena investire in batterie agli ioni di sodio perché il costo delle batterie agli ioni di litio è in costante calo.

"Penso che probabilmente valga la pena investire molte risorse nelle batterie agli ioni di sodio", afferma. "Se ci fosse un momento in cui le batterie agli ioni di sodio funzionassero davvero bene, con un'elevata densità di energia, sarebbe un enorme passo avanti."

Zucchero

Che tu ci creda o no, puoi far funzionare una batteria con lo zucchero come un bambino che salta sui cake pops. Sony ha pubblicato per la prima volta una ricerca sulla reazione in cui la maltodestrina viene ossidata per creare energia nel 2007. Sebbene la disponibilità dei materiali e l’ecocompatibilità delle batterie allo zucchero siano molto superiori a quelle agli ioni di litio, la tensione creata dalla loro reazione chimica è notevolmente inferiore. Quindi, probabilmente vorrai evitare di dare alla tua Tesla una scatola di Crunchberries.

Sebbene il concetto originale sia apparso per la prima volta nel 2007, il batteria di zucchero il concetto ha ancora un po' di succo in sé. Nel 2016, un team del Massachusetts Institute of Technology guidato dal professor Michael Strano ha creato un dispositivo chiamato Thermopower Wave, che è molto più efficiente delle precedenti incarnazioni di batterie allo zucchero e può alimentare un LED commerciale leggero. Si tratta di uno sviluppo entusiasmante perché lo zucchero è molto abbondante, quindi se riusciamo a trovare un modo praticabile per produrre queste batterie, potremmo presumibilmente ampliare rapidamente tale tecnologia. Sfortunatamente, la disponibilità commerciale avverrà probabilmente tra diversi anni.

Fluire

Una batteria a flusso è strutturata in modo diverso rispetto alla maggior parte delle altre: invece di imballare un mucchio di materiali reattivi insieme in un'unica unità (come fanno le batterie normali), le batterie a flusso immagazzinano i liquidi reattivi in ​​contenitori separati e poi li pompano nel sistema per crearli energia. Sono anche enormi e progettati per l’accumulo di energia nella rete, non per l’elettronica e cose che possono stare comodamente nel palmo di una mano.

L'originale batteria a flusso secondo quanto riferito, pesava 1.000 libbre ed è stato inventato alla fine del XIX secolo per alimentare abilmente chiamato dirigibile francese “La France”. Da allora l’interesse per lo stoccaggio modulare dell’energia ha avuto alti e bassi Poi.

“Penso che ciò che sta realmente provocando un’esplosione e l’interesse per le batterie a flusso non sia tanto la realizzazione della prossima generazione di batterie telefoni o computer, ma stoccaggio di energia su scala medio-grande", spiega Timothy Cook, professore di chimica all'Università di Bufalo. Quindi, a meno che tu non stia costruendo un telefono cellulare steampunk, è improbabile che porterai con te delle batterie a flusso attivate con pompe microscopiche. Tuttavia, man mano che sempre più case installano energia solare, il mercato dello stoccaggio di “energia personalizzata” crescerà.

Se da un lato rendere le batterie agli ioni di litio più potenti significa aumentarne le dimensioni, il design delle batterie a flusso permette di aumentare l'energia aumentando la dimensione del liquido serbatoi. San Diego Power and Electric ne ha recentemente installato uno in grado di alimentare 1.000 case.

“Non è necessario modificare nessuna delle dimensioni della membrana [dove avviene la reazione chimica], basta farlo per far fluire un volume maggiore di liquido attraverso di esso per un tempo più lungo ed è possibile estrarre quell'energia", spiega Cucinare. "Quindi è molto, molto più semplice aumentare o ridurre le dimensioni oppure puoi sostanzialmente personalizzarlo in base all'installazione."

Le batterie a flusso hanno anche molti più cicli di ricarica rispetto alla maggior parte delle batterie. La possibilità di sostituire i liquidi o sostituire altre parti modulari fa sì che la vita potenziale di una batteria sia pressoché indefinita.

Anche se le aziende attualmente vendono batterie a flusso di dimensioni industriali, il professor Cook non si aspetta un’accettazione diffusa per altri cinque o dieci anni. Immagina persino un giorno in cui le auto elettriche potrebbero utilizzare la tecnologia. Cook descrive un'auto che si ferma a una "stazione di servizio", scarica l'elettrolito esaurito e poi lo ricarica con uno appena caricato. Invece di aspettare mezz'ora affinché la tua auto si riavvii, le ruote possono girare di nuovo in pochi minuti. Ma, ovviamente, quel futuro è molto lontano.

Carta

Realizzare una batteria con la carta presenta molti vantaggi: è sottile, flessibile e, se fabbricata con i materiali giusti, biodegradabile. Un team della Stanford University ha sviluppato le prime batterie di carta rivestendo fogli sottili con un inchiostro saturo di carbonio e argento. Più recentemente, gli ecologisti si sono entusiasmati per le batterie sviluppate presso l’Università di Binghamton. Il professor Seokheun "Sean" Choi ne ha realizzato alcune diverse incarnazioni, inclusa una alimentata dallo sputo - o, più scientificamente, dalla saliva umana - e un'altra alimentata dai batteri. Una recente incarnazione della biobatteria sviluppata da Choi e dal professor Omowunmi Sadik utilizza il poli acido (ammico) e poli (diaanidride piromellitica-p-fenilendiammina) per produrre le fonti di energia biodegradabile.

"La nostra batteria ibrida di carta ha mostrato un rapporto costo-energia molto più elevato rispetto a tutte le batterie microbiche a base di carta precedentemente segnalate", ha affermato Choi quando l'innovazione è stato annunciato. Sebbene l’uso commerciale di queste batterie di carta ecologiche sia stato limitato a causa della loro bassa produzione elettrica (è possibile alimentare una luce a LED per... circa 20 minuti), i ricercatori sperano di vederli utilizzati nell'elettronica, nei dispositivi wireless, in applicazioni mediche come pacemaker, aerei e altri automobili. Choi ha scritto un articolo sul loro utilizzo come fonti di energia monouso per strumenti diagnostici presso i punti di cura nei paesi in via di sviluppo dove le batterie potrebbero non essere prontamente disponibili.

Aria

L’aria può effettivamente essere elettrica, e non solo in quel momento in cui alzi il colletto dopo che una melodia di Phil Collins rimbomba dagli altoparlanti della tua Ferrari. Batterie zinco-aria, che hanno all'incirca le dimensioni di caramelle Smarties e alimentati dalla reazione tra ossigeno e zinco, sono utilizzati negli apparecchi acustici da molti anni. Lo zinco è inoltre economico e abbondante, il che rende la tecnologia economica ed ecologica.

Ma ci sono delle limitazioni quando si tenta di realizzare questa tecnologia ricaricabile. Durante la ricarica possono formarsi cristalli di dendrite che possono mandare in cortocircuito la batteria. Sono stati testati modi per sostituire lo zinco, come “ricaricare meccanicamente” la batteria sostituendo fisicamente i materiali, un approccio che è stato provato sugli autobus elettrici di Singapore. Sono stati tentati numerosi altri esperimenti con batterie litio-aria e metallo-aria con vari gradi di densità di energia, livello di potenza e costo. Negli ultimi dieci anni, Tesla ha depositato numerosi brevetti relativi alla ricarica batterie al litio-aria, quindi il loro potenziale potrebbe estendersi ben oltre i tuoi apparecchi acustici.

Ferro

Alcuni anni fa, il professore di chimica dell’Università dell’Idaho Peter Allen ha iniziato a esprimere la sua passione per la scienza delle batterie su YouTube. Quasi immediatamente ha scoperto che gli spettatori reagiscono davvero al materiale sulle batterie, cosa che lo ha ispirato a costruire una batteria di ferro ricaricabile come dimostrazione educativa. Questo progetto ha portato alla realizzazione di oltre 100 video dimostrativi che spiegano le fasi, i problemi e gli apprendimenti di un progetto di batteria educativa.

"Non voglio presentarmi come un esperto di batterie, di per sé", riconosce il professore, la cui area di competenza è la chimica biologica. Realizzando i video su YouTube, si è reso conto che c'era molto da insegnare e imparare costruendo una batteria fai-da-te relativamente economica.

"Parti della tecnologia delle batterie al ferro esistono da 100 anni, quindi penso che molte persone che potrebbero entrare in questo mondo con molta conoscenza straniera direbbe semplicemente: ‘Bene, quello è terreno battuto, non c’è niente da trovare lì’”, dice. "Ma essendo un po' ingenuo, sono entrato e ho detto: 'Bene, proviamolo, puoi comunque trovare qualcosa di interessante.'"

Dopo due anni, più di 30 varianti di batterie e molto aiuto da parte degli studenti universitari, Allen ha potuto farlo imparato come bilanciare i materiali liquidi e solidi per creare una quantità ottimale di densità energetica ma con bassa energia.

"Poi ci siamo concentrati su tutta questa questione: 'Se hai una chimica che funziona, ma funziona lentamente, come puoi accelerarla?'"

Anche se il team risolvesse questa sfida, la tecnologia attuale impone che le migliori applicazioni per una batteria al ferro saranno probabilmente a unità di accumulo dell'energia della microrete di quartiere o acquisizione dell'energia del parco solare, dato lo spazio richiesto e la velocità dell'energia inviata dal unità.

Chi vincerà?

La batteria di ferro di Allen sarà mai commercialmente valida? Non è sicuro che le attuali scoperte del suo team, che sono state pubblicate su una rivista scientifica, riusciranno a raggiungere questo obiettivo.

Dopo aver esaminato numerose invenzioni relative alle batterie, si rende conto che solo poche di esse arriveranno effettivamente sul mercato. Nella ricerca scientifica, spiega, esiste una “valle della morte”.

"Hai la ricerca di base che porta a qualcosa di veramente interessante", dice. “C’è la questione se possa essere commercializzato. E non ci sono soldi per porre questa domanda”. I ricercatori che trovano abbastanza soldi per rispondere a quella domanda iniziale poi, se sono fortunati, troveranno investitori disposti a perfezionare e commercializzare l’idea. “Ma c’è un divario tra la ricerca di base e il perfezionamento necessario per realizzare uno spot pubblicitario sulle batterie”.

Nel 2019, i venture capitalist sono crollati 1,7 miliardi di dollari in startup di batterie, di cui 1,4 miliardi destinati alla ricerca relativa agli ioni di litio. Ma anche le batterie a flusso, lo zinco-aria, il metallo liquido e molte altre tecnologie hanno ricevuto assegni scritti. Mentre lo stoccaggio energetico agli ioni di litio dominerà probabilmente lo stoccaggio energetico per almeno altri 10 anni, molti altri sembrano già in grado di uscire dalla valle della morte.

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