BATTERIE

La ricerca sulle batterie si spinge oltre gli ioni di litio: 2 – il potassio

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Grazie a nuovi catodi e a nuovi elettroliti la ricerca sulle batterie agli ioni di potassio inizia a ridurre il gap rispetto alle varietà più diffuse, basate su litio e sodio

Col crescere costante delle quote di veicoli elettrici e degli impianti di accumulo, nei prossimi anni diventeranno sempre più interessanti le alternative efficienti e poco costose a dispositivi di stoccaggio di energia che richiedano invece materie prime quali il litio o il cobalto.

Pertanto diventa più sostanziale l’importanza di identificare soluzioni efficaci nello sviluppare chimiche alternative, in particolare per settori che abbiano meno costrizioni rispetto a quello dei trasporti o dell’elettronica di consumo wearable.

Il potassio è una materia prima economica ed abbondante, una premessa importante per chi deve realizzare una manifattura impegnativa come quella delle batterie. Inoltre, al contrario delle batterie agli ioni di litio che usano rame come collettore di corrente, il potassio non fa lega col più economico alluminio, che può quindi prenderne il posto per questo compito.

Non è tutto, continua Lorenzo Stievano, Professore di Chimica dei Materiali all’ICGM di Montpellier: “il vantaggio del potassio è che funziona in un range di potenziale di energia più largo di quello del sodio. Si è più o meno allo stesso livello di potenziale di energia del litio. A livello di energia potrebbe quindi dare delle soddisfazioni che il sodio ancora non offre”.

A rendere interessante il potassio c’è anche una ulteriore qualità di questo materiale: l’alta diffusione ionica e la sua conduttività alle prese coi solventi dei più comuni elettroliti, a confronto dei valori ottenibili con litio e sodio.

Finora il mondo della ricercatori e quello dell’industria non lo hanno messo in cima alla lista delle priorità per realizzare celle soprattutto per la sua reattività, una caratteristica peraltro condivisa dal principale concorrente: il litio.

In effetti c’è voluto del tempo anche a un settore di successo come quello delle batterie agli ioni di litio per renderle molto più sicure di quanto non fossero inizialmente. Progressi che negli ultimi anni sono diventati più evidenti.

Per avvicinarsi a soluzioni praticabili per la manifattura su larga scala, la recente ricerca di base sta facendo progressi, e quelli più vistosi riguardano due dei componenti essenziali di una cella: catodi ed elettroliti.

Esperimenti al sincrotrone Elettra di Trieste hanno recentemente validato lo studio di un team russo su una batteria agli ioni di potassio con nuovo catodo in titanio

Uno studio molto interessante e recentissimo (è stato pubblicato il 20 marzo scorso sulla rivista Nature Communications) propone un nuovo elettrodo positivo la cui formula chimica è KTiPO4F, con fluoro-fosfato combinato a potassio e titanio, quest’ultimo impiegato finora quasi esclusivamente nei materiali degli anodi.

La ricerca è stata diretta da un team diretto dal Professor Artem Abakumov dello Skoltech (Skolkovo Institute for Science and Technology) e dal Professor Evgeny Antipov della Lomonosov Moscow State University, ritratti a sin. e al centro nella foto di apertura.

Questo elettrodo a base titanio ha dimostrato un potenziale elettrico record di 3.6 V, un risultato inedito per questo tipo di catodi. La capacità teorica risultante sarebbe di 430 Wh/kg.

Una rappresentazione della struttura cristallina del catodo al titanio KTiPO4F studiato dal team russo guidato dai professori Abakumov ed Antipov; gli ottaedri TiO4F2 sono indicati dal colore viola. (credito immagine: Nature Communications, 11, Art. N. 1484 (2020), DOI: 10.1038/s41467-020-15244-6)

Secondo gli autori dello studio, le caratteristiche di una batteria agli ioni di potassio realizzata con questo tipo di elettrodo al titanio la renderebbero adatta per essere utilizzata anche su veicoli elettrici.

Gli esperimenti sono stati eseguiti grazie alla collaborazione del consorzio CERIC-ERIC, presso la struttura dell’Elettra-Sincrotrone di Trieste. Il sito giuliano ha anche assicurato il contributo di due specialisti : Jasper Plaisier, responsabile della linea di luce MCX e Mattia Gaboardi, che ha fornito supporto per esperimenti ed analisi dei dati.

Uno dei co-autori dello studio, il Professor Stanislav Fedotov, docente dello Skoltech (a destra nella foto di apertura), ha dichiarato: “Si tratta di un risultato straordinario in quanto permette di scardinare il paradigma secondo il quale il titanio ha un’applicazione limitata nelle batterie a causa del suo basso potenziale. Crediamo che la scoperta di questo materiale possa dare un rinnovato vigore alla ricerca di ulteriori elettrodi positivi basati sul titanio e caratterizzati da interessanti prestazioni elettrochimiche”.

L’ottimismo sulla tecnologia degli ioni di potassio veicolato dalle parole del ricercatore russo trovano in eco in quelle di un professore di un’altra parte del globo, Shinichi Komaba, che sta facendo ricerca su questa tecnologia alla Tokyo University ma preferendo concentrarsi sugli elettroliti.

A Spectrum, la rivista pubblicata dall’IEEE, Komaba ha detto poche settimane fa: “sebbene lo sviluppo delle batterie al potassio stia andando avanti solo da 5 anni, credo sia già competitiva con le batterie agli ioni di sodio e mi aspetto sia comparabile o superiore agli ioni di litio”.

Secondo Komaba il “trucco” consisterà nello sviluppare l’elettrolita appropriato per mettere la museruola alla volatilità del potassio. Se gli elettroliti più diffusi commercialmente contengono infatti solventi, sali di potassio, nuovi additivi, materiali super-concentrati ed elettroliti liquidi ionici sono tra le alternative considerate.

Al Lawrence Berkeley National Laboratory il Professor Haegyeon Kim sta scommettendo su composti polianionici e lavorando su un catodo sperimentale con formula chimica KVPO4F. Questo elettrodo vanterebbe una densità di energia gravimetrica di 450 Wh/kg.

Se provate a confrontarlo con quello sviluppato dal team russo che ha effettuato i propri esperimenti al CERIC di Trieste, noterete che inserisce vanadio dove gli scienziati dello Skoltech usano titanio.

I progressi della ricerca di base appaiono meritevoli di interesse e fiducia. E tuttavia non è chiaro quando le premesse potranno tradursi in celle agli ioni di potassio che escono a migliaia da normali linee di produzione.

Alla Purdue University a questa tecnologia lavora il Professor Vilas Pol, che riassume così le prospettive: “ci vorrà del tempo per capire l’esatta combinazione di elettrolita, catodo ed anodo. Potrebbero volerci altri 15 anni da oggi per andare sul mercato”.

Credito foto di apertura: per gentile concessione di CERIC-ERIC