Sarà possibile produrre batterie che non si degradino con l'uso?

Le batterie sono diventate uno dei dispositivi essenziali nella nostra vita quotidiana. Li usiamo per svegliarci, lavarci i denti, comunicare con i nostri parenti, ascoltare musica mentre facciamo sport, giocare a un videogioco mentre aspettiamo l’autobus, lavorare dal nostro laptop o spostarci su uno scooter.

Praticamente passano inosservati per tutta la giornata, ma ci sono, dandoci copertura energetica e molti problemi quando si esauriscono. Probabilmente non ce ne siamo resi conto, ma una persona che vive in un paese sviluppato potrebbe aver bisogno di diverse dozzine di batterie nella sua vita quotidiana. Nella sola Unione Europea, ogni giorno entrano più di 200 tonnellate di batterie da utilizzare nei dispositivi elettronici. Se includiamo altre applicazioni come quelle industriali o automobilistiche, questa cifra supera il milione di tonnellate all’anno.

Ancora più batterie

L’uso di questa tecnologia di accumulo di energia, basata sull’elettrochimica, ha registrato una forte crescita accompagnata dallo sviluppo dell’elettronica di consumo. Tuttavia, la sua crescita sarà ancora maggiore nei prossimi anni, poiché è chiamata a guidare il nuovo cambiamento del paradigma energetico e della mobilità.

Le batterie ci permetteranno di immagazzinare l’energia ottenuta da fonti rinnovabili e di utilizzarla quando non può essere prodotta, e sono una parte essenziale delle auto elettriche.

La domanda globale di energia, si prevede che raggiungerà i 2.600 GWh entro il 2030. In breve, in questo decennio avremo bisogno di più batterie, con una maggiore capacità di accumulo, più veloci da caricare e anche più durevoli.

In questo senso, uno dei problemi più urgenti delle batterie è la loro durata. Tutti, infatti, abbiamo sperimentato la graduale perdita di capacità di alcuni dispositivi elettronici portatili, come il nostro cellulare. Questo è solitamente presentato come una perdita di autonomia (durata). Anche questo fenomeno peggiora con il passare del tempo. Per capire come si degradano le batterie, dobbiamo capire come funzionano.

Come funzionano le batterie agli ioni di litio

Una batteria agli ioni di litio è costituita da un insieme di celle impilate in una forma prismatica o cilindrica. Ogni cella è a sua volta composta da due elettrodi (uno negativo e uno positivo), separati da una membrana e da un elettrolita, che è una soluzione attraverso la quale gli ioni si spostano verso gli elettrodi durante i processi di carica e scarica della batteria. Inoltre, gli elettrodi sono collegati a conduttori elettronici (collettori di corrente) attraverso i quali circolano gli elettroni.

L’anodo è fatto di grafite, mentre il catodo è solitamente grafite con litio e un composto metallico, come NMC (una combinazione di nichel, manganese e cobalto).

Durante il processo di carica, gli ioni di litio vengono inseriti nell’anodo, mentre quando utilizziamo la batteria (attivamente o passivamente), questi ioni vanno al catodo. Pertanto, in una batteria c’è sempre un flusso di elettroni da una parte all’altra. Come vedremo in seguito, questo movimento ha le sue conseguenze sulla cellula, provocandone il deterioramento.

Perché le batterie si degradano?

I viaggi effettuati dagli ioni di litio attraverso l’elettrolita, la membrana e, soprattutto, gli elettrodi, comportano molti fenomeni che finiscono per degradare questi componenti e, infine, la batteria.

Il primo di questi è noto come formazione di elettroliti solidi. Durante il processo di carica e scarica, gli ioni di litio vengono inseriti negli elettrodi. Questo è noto come confronto. Quando gli elettrodi sono pieni, gli ioni che non possono entrare reagiscono con la grafite sulla superficie, dando origine ad uno strato biancastro che, come suggerisce il nome, è una solidificazione dell’elettrolita.

Questo processo avviene solitamente dalla prima carica della batteria ed è responsabile di una perdita del 10% della sua capacità, poiché questo strato agisce come una sorta di barriera alla diffusione degli ioni.

Il fenomeno aumenta con l’aumento della temperatura della batteria e può anche dar luogo a quelle che vengono chiamate Thermal Runaway, una serie di reazioni a catena che sprigionano calore e che sono molto difficili da fermare.

Per quanto riguarda gli elettrodi, per definizione, quello positivo è quello con il potenziale più alto. Nel caso delle batterie agli ioni di litio, il catodo è positivo e l’anodo è negativo. Negli elettrodi c’è anche una deposizione di litio metallico sulla superficie dell’anodo. Ciò si verifica a basse temperature e livelli di corrente elevati (come la ricarica rapida).

L’intercalazione e la deinterizzazione degli ioni causano anche importanti cambiamenti strutturali negli elettrodi. Nel materiale si producono delle sollecitazioni interne che finiscono con la rottura degli elettrodi e, quindi, la perdita di capacità di accumulo. Inoltre, possono comparire nuove superfici dove possono verificarsi i due fenomeni precedenti, aggravando ulteriormente il problema.

Oltre a quanto sopra, vi sono altri fenomeni, come l’ossidazione, la decomposizione dell’elettrolita o l’attacco acido, che provocano il degrado sia degli elettrodi che dell’elettrolita. Tutti sono aggravati sia dall’uso che dalla temperatura o dalla velocità di ricarica.

Possiamo prevenirne il deterioramento?

Una volta individuati i meccanismi di degrado della batteria, possiamo monitorarne lo stato di salute. Oltre a controllare gli aspetti di cui sopra, è possibile introdurre agenti che, autonomamente o guidati da un precursore, avviano un processo di guarigione della batteria.

Proprio come il sangue cura le nostre ferite, è possibile manipolare i materiali per incorporare meccanismi di autoriparazione. Precisamente, questa linea di lavoro è una delle principali proposte della nuova strategia europea per le batterie e si propone l’uso di agenti riparatori microincapsulati, nanotubi di carbonio o carbone attivo per riparare le crepe.

Affinché il processo di autoriparazione inizi al momento giusto, sarà fondamentale monitorare da vicino lo stato di salute delle batterie. Per questo, ad esempio, è possibile utilizzare la fibra ottica. Inoltre, è fondamentale proteggere al meglio i componenti. Questo può essere fatto utilizzando materiali bidimensionali, come il grafene, che eserciteranno una difesa interna passiva, riducendo al minimo il deterioramento.

Insomma, grazie alla nanotecnologia, sono attualmente in corso di esplorazione diversi percorsi per migliorare notevolmente lo stato di salute delle batterie. Pertanto, sarà possibile in un periodo di tempo ragionevole avere dispositivi con una maggiore durata.

Il nostro problema sarà poi un altro: dovremo cercare materiali di produzione alternativi, più sostenibili, per non replicare la dipendenza dai combustibili fossili. In questo senso si stanno prendendo in considerazione nuove tecnologie, come batterie al sodio, elettrodi al silicio o doppi elettrodi di grafite di origine riciclata.