Come una scoperta accidentale potrebbe cambiare il mondo

Di   2 Giugno 2022

Una fortunata scoperta che coinvolge le batterie al litio-zolfo potrebbe rivoluzionare il modo in cui ricarichiamo il nostro mondo

Articolo tradotto da Freethink

Capita, di tanto in tanto, che una tecnologia rivoluzionaria spunti all’improvviso dal nulla e sparigli le carte in tavola, fino a cambiare dall’oggi al domani il mondo intero. E’ accaduto con la dinamite, la penicillina, i raggi X e persino il forno a microonde, tutte scoperte accidentali ma rivoluzionarie. Bene, nel 2022 potrebbe esserci stata un’altra di queste scoperte: le batterie al litio-zolfo.

L’elettrificazione è divantato un mantra, una parola magica e la soluzione a tanti problemi climatici e, con il conflitto in Ucraina, anche geopolitici. Che si parli di auto o trattori elettrici, di pannelli fotovoltaici o di satelliti, occorre una batteria che accumuli l’energia e le classiche batterie agli ioni di litio sono così inefficienti da far sembrare una bugia grande come il pianeta Terra la strada verso l’elettrificazione. Si tratta di batterie con pesanti svantaggi, come ciascuno di noi sa per esperienza diretta dal proprio cellulare.

PERCHE’ LE BATTERIE AGLI IONI DI LITIO SONO INADATTE

In primo luogo, i materiali necessari per costruirle, come il cobalto, sono in genere molto dannosi per l’ambiente. Le miniere di cobalto distruggono vasti ecosistemi e rilasciano sostanze chimiche tossiche. Per non parlare della questione umanitaria, poiché le condizioni di lavoro in queste miniere sono mortali e spesso si utilizza il lavoro minorile.

Poi c’è il problema del ciclo di vita. Vogliamo che i tempi di ricarica delle batterie siano il più rapidi possibile. Questo vale per tutto, dai telefoni alle auto. Ma, come ti dirà chiunque abbia uno smartphone, le batterie agli ioni di litio possono perdere rapidamente capacità se sono caricate ripetutamente rapidamente. Così la batteria si degrada e, nel caso di un’auto elettrica, costa una fortuna sostituirla. Inutile aggiungere che un’auto elettrica usata può perdere valore.

Nel complesso, tutti questo sta rallentando l’adozione dei veicoli elettrici. Per non parlare dei rifiuti elettronici, che sono già un problema considerevole.

C’è anche un problema di densità. Le batterie agli ioni di litio sono relativamente dense di energia, il che le fa pesanti e ingombranti. Ciò limita la portata delle auto elettriche e non le rende adatte per alcune applicazioni, come aerei e navi elettriche commerciali e trattori.

Le batterie agli ioni di litio, inoltre, possono prendere fuoco improvvisamente e in modo spontaneo se una cella è danneggiata.

TUTTI QUESTI LIMITI AVEVANO SPINTO GLI SCIENZIATI DELL’UNIVERSITA’ DI DREXEL A ESAMINARE UN NUOVO TIPO DI BATTERIA, NOTA COME LITIO-ZOLFO.

A una prima impressione, il litio-zolfo sembrava risolvere tutti i problemi degli ioni di litio. Utilizza materiali molto meno dannosi per l’ambiente, è più economico da produrre, può essere fino a tre volte più denso di energia (il che significa una batteria più leggera) ed è molto meno probabile che prenda fuoco. Il tutto senza compromettere le velocità di ricarica.

Se tutto ciò è vero, perché non ci sono già le batterie al litio-zolfo?

Anche queste hanno un grosso problema. Mentre una batteria agli ioni di litio può essere utilizzata per circa 2000 cicli di carica, il litio-zolfo è in genere limitato a circa la metà. Quindi, dopo un anno o due di uso corretto, una batteria al litio-zolfo è praticamente morta. Per risolvere questo problema, il team di Drexel stava provando nuovi approcci al litio-zolfo, cambiando i composti nel catodo della batteria. Il loro obiettivo era rallentare la reazione chimica che crea polisolfuri quando la batteria si carica e si scarica. Questi cristalli, infatti, eliminano progressivamente tutto lo zolfo dall’elettrodo e alla fine causano una massiccia perdita di capacità. Rallentare la loro formazione significava far durare più a lungo queste batterie ad alta densità di energia.

Gli scienziati per caso hanno però scoperto qualcosa di incredibile: una fase chimica di zolfo che sostanzialmente ferma il degrado della batteria! Sono rimasti così scioccati da questa scoperta che hanno ricontrollato 100 volte per assicurarsi di non aver valutato male i risultati. Questa fase chimica è nota come zolfo gamma monoclino, ma è stata osservata in laboratorio solo a temperature elevate, fino a 95°C. Questa è la prima volta che viene vista a temperatura ambiente.

Nella batteria, questa fase interrompe completamente la reazione che crea i polisolfuri. Gli scienziati hanno ricaricato la batteria 4.000 volte senza un calo della capacità, il che significa che dura almeno il doppio degli ioni di litio.

Vale anche la pena notare che la loro batteria era tre volte più densa di energia degli ioni di litio e poteva caricarsi altrettanto velocemente! Ciò comporta batterie meno ingombranti e più sicurezza.

Come per la maggior parte delle scoperte accidentali, gli scienziati non hanno ancora capito cosa stia effettivamente accadendo. Non sanno ancora perché viene creata questa fase di zolfo o come garantire che rimanga tale. Quindi sono necessarie ulteriori ricerche per rispondere a queste domande al fine di sviluppare una batteria affidabile che possa essere utilizzata in miliardi di computer, auto elettriche e simili. Ma varrà la pena aspettare perché queste batterie peseranno un terzo delle equivalenti batterie agli ioni di litio e avranno il doppio della loro durata!

Ciò significa che veicoli elettrici molto più veloci ed efficienti con autonomia di migliaia di chilometri saranno commercialmente fattibili a un costo simile ai veicoli elettrici di oggi. Inoltre, sarebbero effettivamente ancora utili tra 10 anni, riducendo drasticamente gli sprechi e aumentando il tasso di adozione dei veicoli elettrici.
Inoltre, i trattori, le mietitrebbie, i voli a corto raggio, le navi mercantili e i traghetti passeggeri disporranno di una tecnologia che consentirà loro di diventare completamente elettrici. Il risparmio di peso, la lunga durata e il prezzo competitivo significheranno che questi settori potranno finalmente raggiungere i loro obiettivi di basse emissioni di carbonio.

In breve, le batterie al litio-zolfo potrebbero consentire a una vasta gamma di attività di diventare elettriche, rendendo molto più fattibile l’azzeramento delle emissioni.

Non solo. Litio, zolfo e gli altri materiali che compongono questa nuova batteria sono abbondanti in tutta la Terra. Ciò significa che possiamo ridurre drasticamente l’impatto ecologico dell’attività mineraria, oltre a garantire una catena di approvvigionamento più forte.

Ma questa non è la fine di questa scoperta. Il team di Drexel sta già esaminando l’utilizzo di questa scoperta per realizzare batterie sodio-zolfo. Eliminando la necessità del litio, possono rendere le batterie ancora più ecologiche ed eliminare un enorme collo di bottiglia nella catena di approvvigionamento, assicurando che l’adozione dei veicoli elettrici possa continuare alle velocità vertiginose pianificate dalle case automobilistiche.