Gli elettrocatalizzatori nanocompositi potrebbero reinventare le batterie litio‑zolfo con tempi di ricarica di 5 minuti

Da litio‑ione a litio‑zolfo

Le batterie al litio‑ione hanno, finora, dominato il mercato delle batterie. Questo è dovuto sia all’alta densità energetica sia a un vantaggio iniziale derivante dal loro ampio utilizzo e produzione per il mercato dei dispositivi elettronici di consumo.

Quando vengono impiegate in altri ambiti, cominciano a emergere i limiti di capacità delle batterie al litio‑ione. Ad esempio, le batterie al litio‑ione si ricaricano relativamente lentamente e, sebbene la ricarica rapida sia possibile, tende a danneggiare la durata della batteria.

La ricarica lenta è stata un problema costante per i proprietari di veicoli elettrici ed è spesso citata come motivo per cui le persone rifiutano di adottare i veicoli elettrici.

Con i veicoli elettrici ora il più grande consumatore di batterie per capacità di potenza, una nuova chimica delle batterie che si ricarica più velocemente potrebbe diventare rapidamente popolare e competere con i design al litio‑ione.

Una di queste promettenti nuove chimiche sono le batterie litio‑zolfo. I progetti precedenti erano ancora più lenti da caricare rispetto al litio‑ione, ma i nuovi nanomateriali potrebbero far sì che un veicolo elettrico alimentato a litio‑zolfo si ricarichi in soli 5 minuti.

Vantaggi e sfide delle batterie litio‑zolfo

La nuova tecnologia delle batterie litio‑zolfo è stata scoperta da ricercatori di università e istituti di ricerca cinesi e australiani (Adelaide, Tianjin, ANSTO e Tsinghua) ed è stata pubblicata su Nature Nanotechnology con il titolo “Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering”.

Le batterie litio‑zolfo sono da tempo note per offrire una straordinaria densità energetica, più del doppio dell’energia delle tradizionali batterie al litio‑ione quando misurate in Wh/kg (energia specifica), e prestazioni superiori quando misurate in Wh/L (capacità specifica).

Fonte: Vertex Holdings

I principali problemi che hanno finora impedito l’adozione diffusa dei prototipi di batterie litio‑zolfo sono stata la bassa durata (1/3 rispetto al litio‑ione) e la velocità di ricarica molto lenta, che richiede da 1 a 10 ore per una carica completa.

Qualcosa di ovviamente inaccettabile per i veicoli elettrici, con gli utenti che già lamentano i 20‑30 minuti con il litio‑ione.

(Abbiamo discusso molte chimiche alternative al litio‑ione nel nostro articolo di riferimento “Il Futuro della Mobilità – Tecnologia delle Batterie”).

Le limitazioni delle batterie litio‑zolfo sono cambiate improvvisamente grazie alla recente scoperta pubblicata su Nature, con un nuovo design litio‑zolfo che promette prestazioni sorprendenti:

• Durata di almeno 1.000 cicli, simile al litio‑ione.
• Energia specifica di 1.306 Wh/kg, 10 volte superiore al litio‑ione, e persino superiore alla maggior parte dei design di batterie allo stato solido.
• Ciclo di carica/scarica inferiore a 5 minuti.

Costruire batterie litio‑zolfo a livello nanoscopico

Allora, come hanno fatto i ricercatori a costruire quella che sembra essere la batteria perfetta?

Innanzitutto, hanno esaminato a livello atomico/quantistico la reazione di riduzione dello zolfo (SRR), la parte chiave che controlla la velocità di carica/scarica. Per farlo, hanno utilizzato un acceleratore di particelle (Australian Synchrotron, ANSTO) per determinare l’esatta occupazione dell’orbitale atomico (la posizione degli elettroni attorno all’atomo di zolfo) nei catalizzatori a base di metallo.

Armati di questi dati mai prima analizzati, sono riusciti a prevedere con precisione la velocità e il processo della reazione di riduzione dello zolfo (SRR).

Con questo modello predittivo in mano, hanno quindi progettato elettrocatalizzatori nanocompositi, realizzati in carbonio e in diverse leghe di elettrocatalizzatori metallici come ferro, cobalto, nichel, rame e zinco.

Alla fine, è stata selezionata una lega di cobalto e zinco, con le prestazioni straordinarie spiegate sopra.

Cosa ci riserva il futuro?

Lo sviluppo di una “super batteria” del genere potrebbe rappresentare un punto di svolta nell’elettrificazione dei nostri sistemi energetici, dal trasporto all’adozione di massa delle energie rinnovabili che richiedono potenti batterie su scala di utilità.

È, tuttavia, ancora presto, e alcune domande devono essere risposte prima che le batterie litio‑zolfo prendano il sopravvento.

Materiali rari

I produttori di batterie al litio‑ione e di veicoli elettrici hanno cercato da anni di allontanarsi dai design che utilizzano il cobalto. Questo perché il cobalto è un minerale raro, e la sua principale fonte è stata la Repubblica Democratica del Congo, dove la produzione di cobalto è stata collegata al lavoro minorile e schiavistico e, in generale, a violazioni dei diritti umani.

Quindi, il nanocluster di cobalto‑zinco utilizzato nell’elettrocatalizzatore dovrà anch’esso affrontare questo problema.

Costi

Gli alti costi dei materiali sono un altro motivo per cui l’industria si sta allontanando dai design a base di cobalto a favore di batterie che utilizzano solid-state, litio‑ferro‑fosfato (LFP) o sodio‑ione.

Quindi questo potrebbe rappresentare un problema per le batterie litio‑zolfo a base di cobalto. Anche se sono molto più efficienti e con una densità energetica superiore rispetto al litio‑ione.

Allo stesso tempo, un’energia specifica estremamente alta significa che saranno necessarie meno batterie per la stessa autonomia del veicolo elettrico.

Ciò, a sua volta, riduce notevolmente il peso del veicolo elettrico, poiché le batterie attualmente costituiscono più del 25 % del peso del veicolo. Un peso inferiore aumenta ulteriormente l’autonomia.

I veri fattori determinanti saranno il prezzo per Wh delle batterie litio‑zolfo e quanto più basso può scendere il peso del pacco batteria.

Produzione di massa

L’ultimo decennio ha visto numerosi materiali e design innovativi nella tecnologia delle batterie. Tuttavia, trasformare una cella a moneta prodotta in laboratorio in un pacco batteria, e poi creare un processo su scala industriale per produrle, non è banale.

Ad esempio, la data di commercializzazione delle batterie solid-state è stata ripetutamente posticipata anno dopo anno da QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG, ecc. (QS )

Ciò non è dovuto al fatto che la tecnologia non funzioni, ma al fatto che la produzione di massa su larga scala di batterie solid-state, senza problemi di qualità e a costi contenuti, si è dimostrata molto difficile.

Quindi, è probabile che rimangano ancora molti passaggi da compiere per trasformare questo prototipo di litio‑zolfo in una batteria commerciale.

Conclusione

Le batterie sono state il punto debole dei veicoli elettrici sin dalla loro nascita, un problema che si sta lentamente risolvendo grazie ai notevoli sforzi di ricerca delle università di tutto il mondo, nonché dei leader del settore come CATL, Telsa, LG, ecc.

Non è chiaro quale design o chimica prevarrà alla fine. Il concorrente più forte sembra essere le batterie solid-state, e le litio‑zolfo potrebbero rappresentare la generazione di batterie che arriverà dopo la commercializzazione delle solid-state.

Le LFP e le batterie al sodio‑ione potrebbero anch’esse essere presenti per applicazioni e prodotti focalizzati su costi bassi anziché alte prestazioni.

E naturalmente, forse anche design più esotici per batterie su scala di utilità con requisiti molto diversi rispetto ai veicoli elettrici, come batterie ferro‑aria, redox, gravità o di cemento, di cui abbiamo discusso nei nostri articoli “Il Futuro dello Stoccaggio di Energia – Batterie su Scala di Utilità” e “Alternative non chimiche alle batterie per la transizione energetica”.

In ogni caso, il futuro dei sistemi energetici tende verso l’elettrificazione di massa. E la tecnologia delle batterie sta avanzando molto rapidamente, il che probabilmente rimuoverà l’ultimo ostacolo all’adozione di massa dei veicoli elettrici e delle energie rinnovabili.