Le possibilità delle celle alluminio-zolfo sono molto calde

Studio internazionale guidato dall’MIT promuove batterie basate su materie prime facilmente accessibili, che lavorano a 110°, si caricano in un minuto, hanno densità simile alle celle agli ioni di litio e sono allergiche ai dendriti

La crisi dei prezzi che riguarda moltissime materie prime, da quelle fossili ai metalli necessari a produrre batterie, rende sempre più urgente ottenere celle a costi sostenibili in grado di supportare lo stoccaggio delle energie rinnovabili e i veicoli a zero emissioni locali. Ricercatori del MIT e di altri poli scientifici hanno sviluppato un nuovo tipo di batteria, realizzata interamente con materiali abbondanti e poco costosi, che punta a colmare il gap attuale.

La ricerca è stata supportato dal MIT Energy Initiative, dal MIT Deshpande Center for Technological Innovation e da ENN Group, con un team di ricercatori che oltre all’MIT comprendeva membri delle università cinesi di Pechino, dello Yunnan e del Politecnico di Wuhan, accanto all’università di Louisville (Kentucky), di Waterloo (Canada) e l’Oak Ridge National Laboratory.

La nuova architettura della batteria, che utilizza alluminio e zolfo come materiali degli elettrodi, con un elettrolita di sali fusi tra i due, è stata pubblicata il 24 agosto sulla rivista scientifica Nature in un articolo dal titolo eloquente “Fast-charging aluminium–chalcogen batteries resistant to dendritic shorting”.

Definiamo eloquente il titolo, perché il lavoro completato dal professor Donald Sadoway del MIT ed altri 15 collaboratori è stato teso a sviluppare una batteria in grado di caricarsi in meno di un minuto, immagazzinando energia a una densità simile a quella delle comuni celle agli ioni di litio (densità di 526 Wh/l, paragonabile a una cella NMC622) e che non sia incline ai fenomeni di thermal runaway all’origine di (molto pubblicizzati) incendi di auto elettriche.

“Volevo inventare qualcosa che fosse migliore, molto migliore, delle batterie agli ioni di litio per lo stoccaggio stazionario su piccola scala e, a gioco lungo, per gli usi automobilistici”, ha commentato Sadoway, che presso l’istituto del Massachusetts è il John F. Elliott Professor Emeritus of Materials Chemistry.

Oltre ad essere soggette ai picchi dei prezzi delle materie prime, come noto le batterie agli ioni di litio contengono anche liquido elettrolitico infiammabile, il che non li rende sistemi ideali per il trasporto. Perciò Sadoway e collaboratori hanno iniziato partendo dalla tavola periodica, alla ricerca di metalli economici e abbondanti sul pianeta in grado di sostituire efficacemente il litio, che molti scienziati da tempo stanno cercando di rilanciare anche per l’anodo, allo stato metallico, al posto della grafite.

Il metallo commercialmente dominante e già ampiamente utilizzato anche nei veicoli elettrici nelle celle con catodi LFP, il ferro, non ha le giuste proprietà elettrochimiche per una batteria molto efficiente, è stata la loro conclusione.

Ma il secondo metallo più abbondante sul mercato e in effetti davvero abbondante sulla Terra è l’alluminio. Perciò l’attenzione degli scienziati si è concentrata su questo metallo, da usare nell’elettrodo negativo. Il passo seguente è stato decidere a cosa accoppiare l’alluminio nell’altro elettrodo e che tipo di elettrolita collocare tra i due per trasportare gli ioni durante le fasi di carica e scarica.

Il più economico di tutti i non metalli, lo zolfo, è diventato il secondo materiale prescelto per l’elettrodo positivo, dove i ricercatori hanno anche messo alla prova il meno comune selenio. Per quanto riguarda l’elettrolita, “non avremmo usato i liquidi organici volatili e infiammabili”, ha detto Sadoway.

Hanno provato alcuni polimeri, ma hanno finito per guardare a una varietà di sali dai punti di fusione relativamente bassi, ovvero vicino al punto di ebollizione dell’acqua, al contrario di sali che fondono a quasi 1.000 gradi Fahrenheit. Scendendo con la temperatura di fusione, la batteria diventa pratica da realizzare perché non richiede speciali misure di isolamento e anticorrosione.

I tre ingredienti selezionati sono pertanto economici e facilmente reperibili: il diffusissimo alluminio utilizzato dall’industria dell’auto a quella dell’imballaggio; lo zolfo, spesso prodotto come scarto in processi quali la raffinazione del petrolio; e infine sali fusi cloro-alluminati, ampiamente disponibili. “Gli ingredienti sono economici e la cosa è sicura: non può bruciare”, dice Sadoway.

Nei loro esperimenti, il team ha dimostrato che le celle potrebbero sopportare centinaia di cicli a tassi di ricarica eccezionalmente elevati, con un costo previsto per cella di circa un sesto di quello delle celle agli ioni di litio comparabili. Hanno dimostrato che la velocità di ricarica dipendeva fortemente dalla temperatura di esercizio, e a 110 gradi Celsius (230 gradi Fahrenheit) si sono ottenute velocità 25 volte superiori a quelle di 25 gradi (77 gradi Fahrenheit).

Sorprendentemente, il sale fuso che il team ha scelto come elettrolita semplicemente a causa del suo basso punto di fusione, si è rivelato avere un vantaggio collaterale. Uno dei maggiori problemi nell’affidabilità della batteria è come noto la formazione di dendriti, sottili aghi che si accumulano su un elettrodo e tendono a crescere fino a entrare in contatto con l’altro elettrodo, causando cortocircuiti nel peggiore dei casi e nel meno peggiore dei casi diminuendo la capacità e l’efficienza della celle.

Ma questo particolare sale tende a prevenire proprio quello. Il sale di cloro-alluminato che hanno scelto “essenzialmente ha contrastato la formazione di questi dendriti, consentendo anche una ricarica molto rapida”, dice Sadoway. “Abbiamo fatto esperimenti a velocità di ricarica molto elevate, caricando in meno di un minuto, e non abbiamo mai perso celle a causa di cortocircuito dei dendriti”.

La chimica alluminio-zolfo identificata, hanno scritto nella sinossi del loro paper gli autori, si distingue da altre già orientate all’impiego dell’alluminio per le celle nella scelta di un elettrodo positivo calcogeno rispetto a varie formulazioni composte a bassa capacità e nella scelta di un elettrolita a sali fusi rispetto ai liquidi ionici a temperatura ambiente che inducono un’elevata polarizzazione.

“È divertente”, ha detto il professore del MIT, perché l’intera attenzione era sulla ricerca di un sale con il punto di fusione più basso, ma i cloro-alluminati catenati che hanno finito per privilegiare si sono rivelati resistenti al problema del cortocircuito. “Se avessimo iniziato dal tentativo di prevenire il cortocircuito dendritico, non sono certo che avremmo saputo come ottenerlo”, ha detto Sadoway, svelando un tipico esempio di serendipity della scienza.

Un aspetto interessante è che questa batteria non richiede alcuna fonte di calore esterna per mantenere la temperatura di funzionamento. Il calore è prodotto naturalmente dalle caratteristiche elettrochimiche delle fasi di carica e scarica della batteria. “Mentre carichi, generi calore e questo impedisce al sale di solidificarsi. E poi, quando si scarica, genera anche calore”, dice Sadoway.

In una tipica installazione di stoccaggio di energia di un impianto di generazione solare, ad esempio, secondo gli autori della ricerca si immagazzinerebbe elettricità quando splende il sole, attingendo elettricità dopo il tramonto, ogni giorno. E quel ciclo carica-pausa-scarica-pausa è sufficiente per generare abbastanza calore per mantenere il sistema in temperatura.

Questa nuova formulazione della batteria, secondo i ricercatori sarebbe ideale per installazioni con le dimensioni adeguate ad alimentare una singola casa o una piccola/media impresa, producendo nell’ordine di poche decine di kilowattora di capacità di stoccaggio.

Per installazioni più grandi, fino a una scala da utility da decine a centinaia di megawattora, altre tecnologie potrebbero essere più efficaci, tra cui le batterie in metallo liquido che proprio Sadoway e i suoi studenti hanno sviluppato diversi anni fa e che hanno costituito la base per una società spin-off chiamata Ambri, che punta a consegnare i suoi primi prodotti entro il prossimo anno. Per questa invenzione, Sadoway è stato recentemente premiato con l’European Inventor Award 2022.

Il cloruro di alluminio al contatto coll’acqua reagisce formando acido cloridrico, e quindi data la capacità corrosiva non sarà un materiale da utilizzare industrialmente in modo banale. Ma la manifattura di settore gestisce metalli e materie prime ancora più instabili, e le difficoltà appaiono superabili.

Se le temperature di esercizio non fanno pensare alle celle alluminio-zolfo come a candidate ad aimentare smartphone, elettronica wearable o laptop, i costi e la sicurezza intrinseca lasciano immaginare che possa diventare interessante anche per i veicoli elettrici, quando sarà sufficientemente sviluppata.

Ancora prima però la batteria alluminio-zolfo potrebbe apparire sul mercato per agevolare le postazioni di ricarica ultra-veloci dei veicoli elettrici, secondo Sadoway. Questo specialmente per rispondere alla domanda delle giornate di punta, ad esempio sulle autostrade giornate di traffico da bollino rosso o nero, quando in futuro si formeranno code anche alle colonnine ultra-veloci per ricaricare come alle pompe di carburante avviene già oggi.

In questi casi rispondere al picco di domanda con le batterie agli ioni di litio non si prospetta come la soluzione ideale, mentre un sistema di batterie come quello alluminio-zolfo appare in grado di rilasciare rapidamente energia quando necessario senza affaticare le celle eccessivamente.

Considerati i costi inferiori alle celle convenzionali agli ioni di litio, creare con quelle alluminio-zolfo strutture buffer sarebbe pratico, senza necessità di spendere per collegare le postazioni alla rete per disporre di maggiore capacità.

La nuova tecnologia per celle alluminio-zolfo è già alla base di uno spin-off che ha la responsabilità dei brevetti: si chiama Avanti ed è stata fondata da Sadoway e Luis Ortiz, che è stato anche co-fondatore di Ambri.

“Il primo ordine del giorno per l’azienda è dimostrare che funziona su larga scala”, ha commentato al riguardo Sadoway, “e quindi sottoporla a una serie di stress test, tra cui l’esecuzione di centinaia di cicli di ricarica”.

Credito foto di apertura: Rebecca Miller via MIT