Batterie tra presente, passato e futuro

Ciò che alimenta smartphone, tablet e notebook è il vero tallone d'Achille della tecnologia mobile. Ma nuovi materiali fanno ben sperare

Roma - Sia che si tratti di pale eoliche, auto elettriche o smartphone, la conservazione dell'energia è uno dei più grandi problemi tecnologici odierni. Chi riuscirà a trovare una soluzione efficace in questo settore si assicurerà probabilmente enormi guadagni. Le batterie attuali, infatti, non sono in grado di tenere il passo con i continui progressi della tecnologia. Uno smartphone compatto e potente, come gli attuali top di gamma, se consentisse di poter essere ricaricato solo una volta a settimana si rivelerebbe il primo autentico successo dopo l'introduzione del touchscreen, nonché un validissimo motivo per invogliare gli utenti ad acquistare un nuovo device. Ma è vero anche che mentre un accumulatore per l'energia eolica è preferibile che sia di grandi dimensioni, la maggior parte dei dispositivi di uso quotidiano necessitano di batterie di dimensioni compatte. I nuovi smartwatch, in effetti, non hanno spazio sufficiente a contenere batterie grandi al punto da garantire un'autonomia decente. L'Apple Watch, ad esempio, dura solo 20 ore. Dal punto di vista tecnologico, dunque, lo sviluppo delle batterie assomiglia quasi alla ricerca del sacro Graal, ma sul loro futuro stanno lavorando alacremente ricercatori universitari, produttori leader di accumulatori (come Panasonic) e giganti dell'elettronica (come Samsung e Apple).


Un accumulatore è costituito da due elettrodi (litio metallico e grafite metallica) e, tra di essi, è disposto un elettrolito, che provvede a trasferire la carica elettrica (ioni di litio).

Per prendere consapevolezza del fatto che gli attuali accumulatori si affidino a tecnologie che nel tempo sono migliorate solo in misura minima, basta dare uno sguardo al passato. Il primo accumulatore ricaricabile, la batteria al piombo, fece la sua comparsa già attorno al 1850. Malgrado una densità energetica relativamente modesta (capacità energetica rispetto al peso), le pesanti batterie al piombo di grandi dimensioni vengono ancora oggi utilizzate come batterie di avviamento per automobili e moto. Tutto questo dipende dal fatto che i costi di produzione sono modici e, inoltre, dal fatto che le batterie al piombo si rivelano molto resistenti e, per breve tempo, capaci di erogare un quantitativo di energia maggiore rispetto alle batterie moderne, senza alcun deterioramento.

Anche la robustezza offerta dagli accumulatori dimostra che i progressi ottenuti negli ultimi 165 anni sono stati piuttosto modesti. Mentre le batterie al piombo sono in grado di avviare un'auto in qualsiasi condizione climatica, la temperatura d'esercizio ideale per i moderni accumulatori a ioni di litio dev'essere compresa tra 10 e 25 gradi Celsius. Con una temperatura esterna inferiore a 10 gradi la loro potenza diminuisce sensibilmente e, oltre i 25 gradi, si esauriscono velocemente. Inoltre, se sollecitate al massimo, le batterie al litio tendono a scaldarsi (la loro temperatura massima di esercizio non deve generalmente superare i 60 gradi Celsius). Il surriscaldamento è anche il motivo per cui d'estate gli smartphone tendono a spegnersi di colpo.

Il litio, indispensabile per la fabbricazione delle batterie, è uno degli elementi più ricercati. Tra i giacimenti più grandi al mondo c'è il Salar de Uyuni in Bolivia. L'elemento deve essere prelevato dalla salina del lago essiccato e la sua estrazione si rivela complessa e dispendiosa.

Anche relativamente al fattore sicurezza, le attuali batterie offrono scarse garanzie. Da una batteria al piombo danneggiata può fuoriuscire acido solforico corrosivo, ma gli attuali modelli Li-Ion si rivelano ancora più pericolosi. Se il loro involucro si danneggia è possibile che fuoriescano gas infiammabili in grado di causare esplosioni. In caso di danneggiamento meccanico può verificarsi anche un processo di autocombustione, come accaduto nel gennaio 2013 quando presero fuoco le batterie di due Boeing 787 Dreamliner. L'evento impose un divieto temporaneo di volo ai nuovi aerei passeggeri.

Le attuali batterie agli ioni di litio offrono una capacità energetica maggiore rispetto ai modelli precedenti, anche se in misura minima. Mentre le batterie al piombo offrono una densità energetica di circa 30 wattora al chilogrammo (Wh/kg), i moderni modelli Li-Ion erogano un valore quintuplicato, pari a 150 Wh/kg. Nel caso sia richiesta solo una potenza limitata o qualora lo spazio giochi un ruolo secondario, questa capacità si rivela più che sufficiente. Tutto questo è offerto anche dalle batterie per uso domestico come Powerwall di Tesla.


La Tesla Powerwall provvede a immagazzinare in celle a ioni di litio l'energia solare catturata da appositi pannelli fotovoltaici: pesa 97 chilogrammi e presenta le dimensioni 1.300 x 860 x 180 centimetri.

È quindi evidente che si rendono necessarie nuove tecnologia per la costruzione di batterie. Per risolvere i problemi legati alla capacità energetica, al tempo di ricarica e alla sicurezza, si stanno sviluppando vari progetti a cui Tesla dovrebbe essere particolarmente interessata. I ricercatori puntano soprattutto su nuovi materiali in grado di immagazzinare un quantitativo molto più elevato di energia elettrica rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Vari esperimenti che prevedevano come materiale conduttivo l'impiego di silicio al posto della grafite, si sono rivelati promettenti. Per la prima generazione di questi accumulatori, i ricercatori della Stanford University riferiscono che la durata della nuova batteria dovrebbe aumentare di ben dieci volte rispetto a quella consentita dalle attuali celle agli ioni di litio, pur conservando lo stesso aspetto esterno. Questa maggiore capacità apporterebbe sostanziosi vantaggi: le auto elettriche, ad esempio, potrebbero essere dotate di batterie marcatamente più leggere. Finalmente potrebbe essere possibile costruire modelli idonei per lunghi tragitti, anche se la durata della ricarica di batterie così potenti richiederebbe più tempo.


I ricercatori della Stanford University hanno sviluppato una batteria con conduttori elettrici costituiti da minuscole particelle di silicio, disposti come i semi di una melagrana. Immagazzinano un quantitativo di energia quasi decuplicato rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio con elettrodi in grafite.

Ecco dunque che un altro aspetto, estremamente importante, sul quale lavorare è l'incremento della velocità di ricarica. Gli esperimenti presso l'università di Stanford, basati sull'uso dell'alluminio come materiale per gli elettrodi, hanno fornito risultati promettenti. In soli 60 secondi i ricercatori sono riusciti a ricaricare completamente una batteria per smartphone. L'alluminio offre anche altri vantaggi: dopo 7.500 cicli di ricarica la cella accumulatrice non ha mostrato alcuna perdita rilevante di capacità, a differenza delle attuali batterie agli ioni di litio che già dopo 1.000 cicli di ricarica iniziano a erogare solo l'80 per cento della potenza. Queste nuove batterie, inoltre, si rivelano funzionali e sicure, visto che se vengono perforate è possibile continuare a utilizzarle senza pericolo. L'unico svantaggio nell'impiego dell'alluminio è la scarsa capacità, infatti la sua densità energetica è inferiore a quella delle attuali batterie Li-Ion.

Alluminio o silicio si imporranno a breve come nuovi materiali per le batterie? Al momento non è certo. Quel che si sa è che per batterie da utilizzare con impianti stazionari l'alluminio è il candidato più interessante, mentre il silicio si rivela idoneo per auto elettriche e smartphone con un'autonomia di dieci giorni. E non è tutto. Prossimamente dovrebbe essere possibile ricaricare, in modalità wireless, smartphone e affini da una distanza di parecchi metri grazie alla tecnologia Cota, che consentirà ai dispositivi mobile di inviare un impulso localizzatore a una stazione di ricarica. Quest'ultima rileverà la posizione esatta dello smartphone e provvederà a generare un campo elettromagnetico perfettamente adeguato. Cota dovrebbe funzionare anche in presenza di ostacoli ed essere in grado di trasferire energia pari a 1 watt fino alla distanza di 10 metri. Entro il 2016, grazie a WattUp, un sistema di questo tipo dovrebbe essere maturo per la produzione in serie. La custodia di ricarica per lo smartphone dovrebbe costare 125 dollari e la base 300. Ovviamente, obiettivo a lungo termine sarà l'integrazione di questo sistema di ricarica direttamente nei dispositivi.


Il futuro è quindi tracciato: batterie che durano settimane, che si caricano in pochi secondi e senza fili. Il traguardo è ancora lontano, ma la sfida si preannuncia avvincente.

fonte immagini: 1, 2, 3
Notizie collegate
43 Commenti alla Notizia Batterie tra presente, passato e futuro
Ordina
CONTINUA A LEGGERE I COMMENTI
1 | 2 | 3 | Successiva
(pagina 1/3 - 15 discussioni)