Batterie riciclabili all’orizzonte: sostituire gli elettroliti organici con l’acqua

Batterie ad acqua & Sicurezza antincendio

Per anni, le batterie al litio‑ioni sono state la forma dominante di batteria sul mercato, sia per l’elettronica sia per i veicoli elettrici. Questo è dovuto al loro eccezionale profilo in termini di densità energetica e sicurezza complessiva. Ma quando falliscono, tendono a farlo in modo spettacolare, con incendi molto intensi difficili da spegnere. È anche un problema quando le batterie sono al termine della loro vita e necessitano di riciclo.

Uno scenario peggiore si verifica quando il guasto di una batteria provoca una cascata di incendi sulle batterie adiacenti, una preoccupazione molto reale nella costruzione di parchi batterici al litio‑ioni per grandi sistemi su scala di utilità. Il rischio di incendio nelle batterie al litio deriva principalmente dagli elettroliti organici infiammabili usati per collegare l’anodo e il catodo della batteria.

I ricercatori del RMIT in Australia potrebbero aver trovato una soluzione sostituendo gli elettroliti con l’acqua. Il team è guidato dal Prof. Tianyi Ma (a sinistra), che ha lavorato al progetto con il Dr. Lingfeng Zhu (a destra).

Fonte: RMIT

Le cosiddette batterie ad acqua, o batterie a ioni metallici acquose, non possono innescare un incendio né esplodere. Sono anche molto poco tossiche sia per gli esseri umani sia per l’ambiente.

Promesse delle batterie ad acqua

Il design delle batterie ad acqua si basa su elementi semplici come zinco e magnesio, che sono abbondanti e a bassa tossicità, riducendo i costi di produzione e rendendole facili da produrre in massa.

In pratica, ciò significa che le batterie ad acqua possono presentarsi in diverse forme. Per esempio, nella forma di una batteria a ioni di magnesio o  batteria a ioni di ammoniaca.

Il team del Prof. Tianyi sta lavorando per rendere queste batterie commercialmente valide risolvendo i dettagli che finora ne hanno ostacolato l’adozione.

Un esempio è il miglioramento di un elettrodo di manganese, creando condensatori usando magnesio e manganese e ottenendo “un 128,39 Wh/kg con una capacità di ciclaggio ultra‑lunga, mantenendo l’85 % di capacità dopo 6000 cicli”

Le eccezionali proprietà elettrochimiche e le implicazioni critiche per la sicurezza di un elettrolita acquoso rendono questo MIC acquoso promettente per applicazioni di stoccaggio energetico su larga scala. Inoltre, la strategia del concetto di costruzione di difetti duali catione‑anione dovrebbe fornire approfondimenti essenziali per la fabbricazione di batterie ricaricabili basate su ioni metallici.

Fonte: Energy Storage Material

Risoluzione dei dendriti

Un altro problema riscontrato nella maggior parte delle batterie è la crescita progressiva dei dendriti nella batteria. I dendriti sono strutture metalliche appuntite che, col tempo, possono creare cortocircuiti (e incendi nel caso delle batterie al litio‑ioni). Anche le batterie ad acqua sono vulnerabili a questo problema dei dendriti.

Rivestendo le parti metalliche della batteria con bismuto, si crea uno strato protettivo che impedisce la formazione dei dendriti.

Ciò rende le nuove batterie significativamente più durevoli rispetto alle batterie al litio‑ioni, rendendole adatte per un uso intensivo come pacchi batterici su scala di utilità, o forse anche per veicoli commerciali. Essendo molto più sicure, risultano un buon candidato per ampliare la selezione di chimiche alternative al litio‑ioni, soprattutto per le applicazioni su scala di utilità (qualcosa che abbiamo approfondito nel nostro articolo “Il futuro dello stoccaggio energetico – Tecnologie per batterie su scala di utilità”, includendo le aziende che stanno lavorando per produrle su scala commerciale).

“Le batterie ad acqua a ioni di magnesio hanno il potenziale di sostituire le batterie al piombo‑acido nel breve termine — da uno a tre anni — e di sostituire potenzialmente le batterie al litio‑ioni nel lungo termine, da 5 a 10 anni da ora.” Prof. Tianyi Ma

Le batterie ad acqua sono la strada da percorrere?

Le batterie su scala di utilità probabilmente saranno radicalmente diverse dalle batterie per veicoli elettrici, poiché le due non operano sotto le stesse restrizioni:

• Le batterie per veicoli elettrici devono essere leggere e compatte, molto ad alta densità energetica e ricaricarsi rapidamente.
• Le batterie su scala di utilità devono essere economiche, molto durevoli, stabili/sicure e basarsi su materiali abbondanti che possono essere reperiti in grandi quantità.

E anche nel campo delle batterie su scala di utilità, diverse chimiche probabilmente condivideranno il mercato per anni, se non decenni.

Ciò è dovuto al fatto che ciascuna avrà i propri vantaggi e casi d’uso, come diversi intervalli temporali, immagazzinando energia per il ciclo notte/giorno o per settimane.

E poiché in ogni caso, l’adozione di massa delle energie rinnovabili implica l’adozione di massa delle batterie, e diversificare i materiali eviterà uno shock di prezzo sui metalli che non sono rari, ma nemmeno in eccesso massiccio, come:

• Zinco (batterie allo zinco)
• Magnesio (ioni di magnesio)
• Manganese (batterie a idrogeno metallico)
• Vanadio (batterie a flusso redox)
• Antimonio (batterie a metallo fuso)
• Zolfo (batterie sodio‑zolfo)

Attualmente non ci sono aziende che stanno lavorando per portare le batterie a ioni di magnesio sul mercato. Tuttavia, ciò potrebbe cambiare presto, considerando le varie altre combinazioni chimiche che stanno progredendo verso la produzione di massa.