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Il futuro delle batterie
Volgendo uno sguardo verso il futuro, oggi parliamo di nanostrutture al silicio utilizzabili per costruire batterie sempre più performanti.
Nei mesi scorsi, alcuni ricercatori della Stanford University hanno creato degli elettrodi al silicio che permetterebbero una maggiore efficienza delle batterie, e che consentirebbero di percorrere con una sola ricarica un numero di chilometri 10 volte maggiore rispetto alle attuali batterie al litio.
L’elettrodo al silicio può in teoria immagazzinare una maggiore quantità di energia attraverso un maggior assorbimento di litio nella fase di ricarica. Lo svantaggio connesso all'uso di questa tecnologia era determinato dal maggior peso e dal maggior volume che l’elettrodo doveva sopportare, che ne limitavano la durata stimata. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato composti di silicio nanostrutturato, formato da una miriade di microscopici tubicini.
Questa struttura consente di opporre una maggior superficie di contatto al litio assorbito dall’elettrodo, ed anche di mettere a disposizione maggior spazio per l’espansione e la contrazione del silicio stesso in fase di caricamento e scaricamento della batteria.
Attualmente, i test si concentrano sulla resistenza di questi elettrodi, allo scopo di verificarne la stabilità in seguito alle continue sollecitazioni causate da ripetute operazioni di ricarica.
Se i test dovessero essere positivi, avremmo a disposizione una ulteriore risorsa per prolungare la vita e l’efficienza delle nostre batterie al litio.
Nei mesi scorsi, alcuni ricercatori della Stanford University hanno creato degli elettrodi al silicio che permetterebbero una maggiore efficienza delle batterie, e che consentirebbero di percorrere con una sola ricarica un numero di chilometri 10 volte maggiore rispetto alle attuali batterie al litio.
L’elettrodo al silicio può in teoria immagazzinare una maggiore quantità di energia attraverso un maggior assorbimento di litio nella fase di ricarica. Lo svantaggio connesso all'uso di questa tecnologia era determinato dal maggior peso e dal maggior volume che l’elettrodo doveva sopportare, che ne limitavano la durata stimata. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato composti di silicio nanostrutturato, formato da una miriade di microscopici tubicini.
Questa struttura consente di opporre una maggior superficie di contatto al litio assorbito dall’elettrodo, ed anche di mettere a disposizione maggior spazio per l’espansione e la contrazione del silicio stesso in fase di caricamento e scaricamento della batteria.
Attualmente, i test si concentrano sulla resistenza di questi elettrodi, allo scopo di verificarne la stabilità in seguito alle continue sollecitazioni causate da ripetute operazioni di ricarica.
Se i test dovessero essere positivi, avremmo a disposizione una ulteriore risorsa per prolungare la vita e l’efficienza delle nostre batterie al litio.
Funzionamento delle batterie al litio
Il funzionamento delle pile ricaricabili al litio è il seguente: quando la pila è in carica, gli ioni di litio caricati positivamente prendono un elettrone alla fonte di energia e migrano verso l’anodo. Nella scarica (ovvero durante l’utilizzo) gli ioni di litio restituiscono l’elettrone che avevano preso e, migrando verso il catodo, forniscono l’energia necessaria a far funzionare il motore a cui è collegata la batteria.
Generalmente gli anodi sono costituiti da microscopici strati di atomi di carbonio: ne occorrono mediamente 6, di questi atomi, per ospitare ogni singolo ione di litio. Il silicio è, invece, molto più efficiente: occorrono 4 atomi di silicio per trattenere un singolo ione di litio.
Purtroppo, il silicio usato in una batteria si espande mentre trattiene gli ioni di litio carichi positivamente durante l’operazione di ricarica e si restringe durante il processi di scarica. Questo ciclo di espansione/restringimento causa la polverizzazione del silicio (in genere nella forma di particelle su sottile film) degradando la capacità della batteria.
Nanofibre di silicio [Credit: C. K. Chan et al., Nature Nanotechnology, Advance Online Publication (16 December 2007)]
Sopra possiamo vedere due foto scattate al microscopio elettronico di nanofibre di silicio prima di aver assorbito litio (A) e dopo averlo assorbito (B). Entrambe le foto sono realizzate allo stesso ingrandimento.
L'utilizzo delle suddette nanofibre è in grado di prolungare fino a 10 volte la durata standard di una batteria al litio e di risolvere i problemi di degrado del silicio.
Ulteriori ricerche sono state effettuate su un progetto guidato da scienziati di tre continenti: Yair Ein-Eli della Technion, Digby Macdonald della Penn State University e Rika Hagiwara della Kyoto University.
I tre ricercatori sono riusciti a ottenere un prototipo funzionante di batteria nel quale la classica e pesante struttura con il catodo di metallo è stata sostituita da un materiale molto più leggero: l'aria. L'anodo è realizzato con un materiale poco costoso, non tossico e totalmente biodegradabile composto da silicio ossidato. L'attuale prototipo non è ricaricabile ma è in grado di durare migliaia di ore; secondo quanto affermato dai ricercatori, batterie ricaricabili di questo tipo saranno disponibili entro cinque anni.
Batterie specifiche per automobili potrebbero arrivare entro dieci anni consentendo di superare il problema dello smaltimento degli accumulatori prodotti in passato. "Il silicio" spiega Ein-Eli "si trasformerà in sabbia e di nuovo in silicio e a sua volta in nuova energia". Le automobili sono solo la punta dell'iceberg delle possibili potenzialità: batterie leggere, poco costose e con capacità di stoccaggio di energia elettrica sono ideali da affiancare in sistemi che sfruttano forze non sempre disponibili quali l'energia solare e il vento, consentendo di creare un sistema di energia rinnovabile facile da conservare e distribuire.
Chissà se il futuro è così lontano...
Generalmente gli anodi sono costituiti da microscopici strati di atomi di carbonio: ne occorrono mediamente 6, di questi atomi, per ospitare ogni singolo ione di litio. Il silicio è, invece, molto più efficiente: occorrono 4 atomi di silicio per trattenere un singolo ione di litio.
Purtroppo, il silicio usato in una batteria si espande mentre trattiene gli ioni di litio carichi positivamente durante l’operazione di ricarica e si restringe durante il processi di scarica. Questo ciclo di espansione/restringimento causa la polverizzazione del silicio (in genere nella forma di particelle su sottile film) degradando la capacità della batteria.
Nanofibre di silicio [Credit: C. K. Chan et al., Nature Nanotechnology, Advance Online Publication (16 December 2007)]
Sopra possiamo vedere due foto scattate al microscopio elettronico di nanofibre di silicio prima di aver assorbito litio (A) e dopo averlo assorbito (B). Entrambe le foto sono realizzate allo stesso ingrandimento.
L'utilizzo delle suddette nanofibre è in grado di prolungare fino a 10 volte la durata standard di una batteria al litio e di risolvere i problemi di degrado del silicio.
Ulteriori ricerche sono state effettuate su un progetto guidato da scienziati di tre continenti: Yair Ein-Eli della Technion, Digby Macdonald della Penn State University e Rika Hagiwara della Kyoto University.
I tre ricercatori sono riusciti a ottenere un prototipo funzionante di batteria nel quale la classica e pesante struttura con il catodo di metallo è stata sostituita da un materiale molto più leggero: l'aria. L'anodo è realizzato con un materiale poco costoso, non tossico e totalmente biodegradabile composto da silicio ossidato. L'attuale prototipo non è ricaricabile ma è in grado di durare migliaia di ore; secondo quanto affermato dai ricercatori, batterie ricaricabili di questo tipo saranno disponibili entro cinque anni.
Batterie specifiche per automobili potrebbero arrivare entro dieci anni consentendo di superare il problema dello smaltimento degli accumulatori prodotti in passato. "Il silicio" spiega Ein-Eli "si trasformerà in sabbia e di nuovo in silicio e a sua volta in nuova energia". Le automobili sono solo la punta dell'iceberg delle possibili potenzialità: batterie leggere, poco costose e con capacità di stoccaggio di energia elettrica sono ideali da affiancare in sistemi che sfruttano forze non sempre disponibili quali l'energia solare e il vento, consentendo di creare un sistema di energia rinnovabile facile da conservare e distribuire.
Chissà se il futuro è così lontano...