Il litio verso il salto di qualità: Batterie al litio PolyPlus e supercapacità in arrivo

Il tema dei sistemi di accumulo e delle batterie è indubbiamente centrale nel nuovo modello energetico distribuito anche perché capace di legare a doppio filo le nuove applicazioni stazionarie di rete, come i sistemi di accumulo di energia per la valorizzazione dell’autoconsumo

a cominciare dalle abitazioni, che nella mobilità sostenibile, dove la trazione elettrica sta finalmente schiudendosi pienamente nel mercato, con possibilità di avere addirittura un effetto mitigatore sulle problematiche oggi presenti nella gestione delle reti elettriche.

In particolare, il volano dell’automotive, sta spingendo molto la ricerca delle cosiddette batterie metallo-aria, che sfruttano l’ossigeno presente all’interno del reagente inserito nel catodo, usando di fatto l’ossigeno contenuto nell’aria per sprigionare energia, in luogo di soluzioni chimiche comunque pericolose per l’uomo e per l’ambiente.

Una storia che viene comunque da lontano, quella delle pile metallo-aria, quasi di un secolo, quando il fisico francese Charles Fery presentò il prototipo di una pila zinco-aria nel 1925. Una tecnologia che in tempi più recenti è stata sviluppata commercialmente ed applicata per alcuni comuni tipi di micropile a pastiglia destinate a dispositivi a basso consumo. Le pile sono facilmente riconoscibili per un paio di microfori che servono appunto al passaggio dell’aria. Una famiglia questa che vede la sperimentazione promettente di diversi metalli vocati come Alluminio e Zinco, sia allo stato puro che in lega con altri metalli (vedi post “E-mobility: ecco le batterie alluminio-aria….).

L’innovazione di cui parliamo oggi prosegue nella falsariga di vedere l’aria elemento catodico alla base della propulsione ma riferita al metallo oggi di riferimento della tecnologia come il Litio.

La tecnologia è quella della californiana PolyPlus, che propone una particolare forma di protezione superficiale dell’elettrodo di litio la PLE (Protected Lithium Electrode), basata su una speciale membrana a stato solido, in grado di mantenersi stabile a contatto con l’acqua ma al tempo stesso capace di consentire il transito agli ioni di litio, una tecnologia che permette di realizzare delle batterie litio-acqua, dando risposte importanti al problema dell’elevata reattività del Litio sottoposto a repentini fenomeni di corrosione veloce.

La membrana PLE ha la caratteristica di essere permeabile agli ioni di litio ma impermeabile a liquidi e gas. Con questo rivestimento, l’elettrodo di litio si rende quindi disponibile per le reazioni elettrochimiche necessarie per il funzionamento della batteria, rimanendo completamente isolato chimicamente isolato in tutte le altre componenti. In funzione di questa caratteristica, le nuove celle basate su tecnologia PLE potranno avere diverse varianti, non essendo solo Litio-acqua, ma anche Litio-aria e Litio-zolfo. L’isolamento elettrico è sempre assicurato dalla membrana, dove è infatti inibito il transito diretto di elettroni dall’elettrodo negativo alle specie presenti nell’elettrolita acquoso.

In questo modo si migliorano le proprietà di resistenza all’autoscarica e il potenziale al quale può lavorare la cella, che si innalza a 4.5 V rispetto agli abituali 3.7 V delle Litio-ioni in cui il voltaggio di funzionamento è limitato dalle soglie di potenziale oltre cui scatterebbero le reazioni che coinvolgono l’elettrolita liquido, che PLE invece esclude dal gioco. Davvero sbalorditivi i risultati di capacità raggiunti in laboratorio dove è stata raggiunta una capacità specifica di oltre 800 Wh/kg. Il lavoro di Polyplus è ora concentrato alla realizzazione di batterie ricaricabili al Litio-aria con la stessa tecnologia costruttiva per l’elettrodo e cercando di raggiungere un numero significativo di cicli di ricarica.

Un traguardo davvero significativo quello della tecnologia PLE se si pensa che mediamente gli accumulatori Litio-ioni oggi commercialmente disponibili raggiungono i 250 Wh/kg di capacità specifica, rispetto a un massimo teorico di 400 Wh/kg per le reazioni chimiche che vi avvengono. Le reazioni di una cella Litio-aria invece potenzialmente conducono a una capacità specifica teorica oltre 12 volte superiore di circa 5.000 Wh/kg, mentre quelle di una Litio-acqua possono arrivare addirittura a 11000 Wh/kg. Interessante fare una riflessione su questi dati, che già una capacità specifica di 1000 Wh/kg potrebbe permettere di rivoluzionare non solo il mercato dell’auto, ma addirittura quello ferroviario, vedendo sparire alcuni dei simboli della linea ferroviaria, costituiti dalla linea stessa ma anche dai pantografi presenti sui treni. Ipotesi e scenari davvero suggestivi ed affascinanti.

A seguire un interessante video che illustra la tecnologia Polyplus

Ed una interessante intervista con a Michael Thackerav di Argonne National Laboratory, il principale centro osservatorio di ricerca in ambito energetico-ambientale statunitense (link sito Argonne) un qualcosa di molto simile al Joint Research Center di ISPRA della Comunità Europea, con il quale, tra l’altro sono state aperte molte collaborazioni congiunte sui temi Energy storage e mobilità elettrica.

Sauro Secci

per Ecquologia.com

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