Tecnologia delle batterie

La creazione della batteria agli ioni di litio è iniziata con Stanley Whittingham ed è stata successivamente perfezionata da Goodenough e poi da Yoshino, che ha chiuso il cerchio sulla base di questa scoperta. Le fondamenta della batteria agli ioni di litio sono state gettate durante la crisi petrolifera degli anni '70 ed è qui che dobbiamo tornare indietro; Fu allora che l'americano Whittingham iniziò a esplorare tecnologie che non richiedessero questa fonte di energia primaria, spiega la Royal Swedish Academy of Sciences, iniziò a studiare i superconduttori e scoprì un materiale molto ricco di energia, che utilizzò per creare un catodo che mai prima era stato inserito in una batteria al litio: era fatto di disolfuro di titanio che, a livello molecolare, ha spazi che possono contenere ioni di litio. Uno dei maggiori progressi nelle tecnologie delle batterie è il litio-aria. Il litio-aria ha un potenziale energetico specifico teorico di 13.000 Wh/kg. Il litio-aria è una delle poche tecnologie promettenti che possono potenzialmente avvicinarsi alla densità energetica del combustibile a base di idrocarburi. Rispetto all'attuale tecnologia della batteria disponibile a 105±5 Wh/kg, si tratta di un enorme salto in avanti nelle prestazioni di archiviazione. La capacità di guida è il punto cruciale della questione se i veicoli elettrici saranno mai in grado di penetrare completamente nei mercati automobilistici mondiali. Dopo aver esaminato la mia ricerca sui sistemi di accumulo di energia, il più appropriato per il mio veicolo sarà la tecnologia litio-aria. Sebbene sia nelle prime fasi di sviluppo, credo che l'enorme potenziale di questa tecnologia attirerà ulteriori finanziamenti, che ridurranno i tempi di sviluppo e, in ultima analisi, i costi di implementazione all'interno dei veicoli elettrici.

La tecnologia delle batterie si è evoluta a un ritmo quasi vertiginoso negli ultimi decenni con lo sviluppo, spinto dalla domanda e dall'aumento delle prestazioni, di laptop, "smartphone" e "tablet". Le batterie per veicoli ibridi ed elettrici hanno inizialmente beneficiato delle innovazioni provenienti dal campo dell'elettronica di consumo, ma ora sono il motore del progresso e del perfezionamento. In entrambi i mondi, l'obiettivo è aumentare la capacità e la velocità di ricarica di questi accumulatori di energia con dimensioni e peso minimi possibili. Al momento, la tecnica utilizzata è molto simile in entrambi i casi: celle ricaricabili agli ioni di litio, con anodo di grafite e catodo di litio-cobalto-manganese-nichel. Sono stati introdotti sul mercato nel 1991. Sono con noi da 30 anni! Nel caso dei telefoni, le batterie sono generalmente comprese tra 3,7 V e 3,9 V. In un'auto elettrica, tale tensione nominale può arrivare fino a 800 V. A causa della tensione più elevata dell'auto elettrica, anche la potenza di ricarica è diversa: circa 100 kW nei moderni veicoli elettrici (e fino a 350 kW) e solo 25 W nei cellulari di nuova generazione. L'amperaggio, nel frattempo, è di 180 A o più nelle automobili e di 4 A o meno nei dispositivi di telecomunicazione. L'unico aspetto in cui la batteria di uno smartphone è superiore a quella di un'auto è nella densità energetica delle celle, ma questo perché nei veicoli sono necessarie più apparecchiature ausiliarie.

Da un lato, la batteria agli ioni di litio è composta da due elettrodi; il catodo e l'anodo, che sono divisi da un separatore, integrati in una cella e immersi nell'elettrolita, un liquido conduttivo che fa reagire chimicamente gli ioni necessari tra gli elettrodi. E la combinazione di più celle forma la batteria. Ebbene, quando accendiamo il nostro veicolo, si attivano queste reazioni chimiche che avviano la circolazione degli ioni tra gli elettrodi, producendo così elettroni, trasferendosi ai terminali della batteria e generando energia. E quando ricarichiamo la batteria, le particelle circolano nella direzione opposta e si verifica il processo inverso. Come già sappiamo, queste batterie hanno una vita utile limitata compresa tra gli 8 ei 10 anni, che equivale a circa 3.000 cicli completi di ricarica. Ciò è dovuto al fatto che il litio liquido, nel tempo, si solidifica e crea delle piccole cavità chiamate dendriti, colpevoli di indebolire la batteria, provocando surriscaldamento e cortocircuiti. E non solo, ma un altro dei problemi che presenta l'elettrolita liquido è che è infiammabile, il che richiede sistemi di sicurezza e refrigerazione per prevenire l'accumulo di calore e la perdita di capacità. E tutto questo si traduce in maggior costo, peso e volume per la batteria.