I passi avanti delle batterie alluminio-grafite

La ricerca su batterie adatte allo stoccaggio in grado di assicurare costi molto bassi e sostenibilità elevata, sta attirando un gruppo di lavoro di EMPA e Politecnico di Zurigo

Il presente delle batterie destinate al settore automotive è ricco di attività, come testimonia il ripetuto interesse di gruppi auto globali ad acquisire partecipazioni in produttori di celle, e di aspettative, con tanta curiosità rivolta alla data del 22 settembre, giorno in cui il Battery Day Tesla si presume porterà una ventata di novità in un settore di per sé ultimamente quasi frenetico.

Ma le celle e le batterie che finiscono nei pianali dei veicoli di recente tendono a far dimenticare quanto importante sia il settore dello stoccaggio. Per rendere sempre più competitive le energie rinnovabili, ma anche per rendere pienamente sostenibili i veicoli elettrici: misurati sul ciclo di vita completo, i veicoli elettrici necessitano di essere inseriti in una filiera in cui l’energia per la manifattura e l’energia che muove le ruote provenga da fonti green e in questo quadro è determinante il progresso verso batterie sempre più sostenibili.

Un quadro delle prospettive a medio termine per lo stoccaggio di energia che potrà andare oltre quel litio che oggi monopolizza la quota principale del settore, è stato di recente tracciato da esperti del Politecnico di Zurigo, in un paper pubblicato sulla rivista New Journal of Chemistry e intitolato “Challenges and benefits of post-lithium-ion batteries”.

Qui Kostiantyn Kravchyk e Maksym Kovalenko, dopo aver riepilogato le opportunità di alternative già note quali sodio e magnesio, si sono concentrati sulle prospettive offerte dall’alluminio: una materia prima disponibile in grandi quantità, non tossica e poco costosa.

E una materia prima che ha dei punti forti per un chimico che voglia mettere insieme la sua cella: come la capacità di trasportare tre elettroni per volta, e la facilità di creare l’anodo: una lamina di alluminio fondamentalmente è tutto quello che serve.

Peraltro, al contrario del sodio che viene considerata una tecnologia quasi idealmente drop-in (ovvero dove hai del litio metti al suo posto il sodio), una batteria basata sull’alluminio funziona in modo differente da una agli ioni di litio.

Il principio di quest’ultima è quello che i chimici anglosassoni definiscono della sedia a dondolo: nella fase di scarica gli ioni di litio corrono dall’anodo al catodo, nella fase di ricarica fanno la migrazione inversa.

Finora non è parso pratico puntare a una vera e propria batteria agli ioni di alluminio, per difficoltà che variano dalla capacità alla ciclabilità e non ultimo per la difficoltà di identificare catodi adeguati ad operare nel modo desiderato.

Nell’illustrazione tratta da pubblicazioni elaborate da Kravchyk e Kovalenko presso ETH ed EMPA, a sinistra il principio di funzionamento di una convenzionale batteria agli ioni di litio, e a destra quello di una batteria alluminio-grafite (credito immagine: EMPA)

Per una batteria basata sull’alluminio invece ha attirato l’interesse dei ricercatori l’opzione Al-GDIB (Aluminum-graphite dual-ion batteries), batterie in cui il catodo può essere costituito di grafite, il materiale che oggi si usa comunemente per gli anodi di ogni cella delle batterie di auto elettriche.

In queste batterie non si ha un movimento uni-direzionale degli ioni Al3+ dall’elettrodo positivo a quello negativo, ma le molecole sono “consumate” dall’elettrolita, la cui stabilità è inoltre limitata a 2,5V rispetto a Al3+/Al, per cui i voltaggi operativi sono limitati a valori bassi.

L’elettrolita AlCl3-1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([EMIM]Cl) riveste una doppia funzione: fornisce alluminio depositato in forma metallica sull’anodo, e agisce come fonte di AlCl4, ioni necessari all’intercalazione nel catodo di grafite durante la ricarica.

Nella foto di apertura di questo articolo, Kostiantyn Kravchyk regge con la mano sinistra un blocco di fogli di carta per suggerire un aspetto ideale della batteria alluminio-grafite: se gli strati di grafite sono ordinati e ben disposti nel catodo, gli ioni di grandi dimensioni dell’elettrolita si inseriscono facilmente tra gli strati e vi si depositano.

La quantità di elettrolita disponibile è in questo caso determinante per la capacità di questo tipo di batteria. Il che comporta che batterie alluminio-grafite siano circa cinque volte più pesanti rispetto a batterie agli ioni di litio comparabili a causa del loro principio di funzionamento.

Questo ci ricorda in modo palese perché tale percorso di ricerca sia nato fin dall’inizio guardando alle possibilità degli impianti di accumulo di energia proveniente dalle rinnovabili e non all’uso veicolare.

Un altro aspetto che rende complicato lo sviluppo di questa tecnologia è un problema analogo a quello con cui si batte chi sta lavorando per mettere quanto più silicone possibile negli anodi delle attuali batterie agli ioni di litio.

Il catodo di grafite ha la tendenza ad espandersi fino a due volte il volume originale durante ogni processo di ricarica e si contrae durante la scarica. In altri termini occorrerà provvedere a dotare queste celle di rivestimenti e custodie protettivi in grado di dare però spazio sufficiente ai componenti.

I ricercatori dell’ateneo elvetico nel valutare questa batteria tra le possibili tecnologie post-litio, non hanno nascosto affatto che non siano in grado di competere con quelle agli ioni di litio in termini di densità di energia e neppure che possano pretendere a quei livelli in futuro.

Ma le alternative potrebbero essere appropriate in questo caso per applicazioni che vadano alla ricerca di costi di produzione particolarmente bassi abbinati ad elevata sostenibilità, due fattori che potrebbero diventare progressivamente centrali con l’eventuale calo della disponibilità di alcune materie prime necessarie alle celle con chimica più diffusa.

Malgrado le difficoltà Kostiantyn Kravchyk e colleghi continueranno gli studi su batterie alternative destinate allo stoccaggio di energia, ha confermato il ricercatore.

“Sistemi che impiegano grafite come materiale per il catodo sono interessanti. Siamo già in grado di dimostrare che l’espandersi e contrarsi del materiale del catodo è un problema che può essere superato”, ha dichiarato Kravchyk in una nota stampa del consorzio di ricerca elvetico EMPA.

Ora il gruppo sta esplorando le possibilità di elettrodi di grafite semi-solidi che hanno una lunga durata di vita e in grado di condurre l’elettricità in modo molto efficiente.

Credito foto di apertura: ufficio stampa EMPA