La ricerca Toray sull’innovazione nelle membrane
Economia circolare o batterie? Dove arriverà per prima l’applicazione del frenetico lavoro di ricerca e sviluppo del gruppo giapponese specializzato nei materiali?
Toray Industries è un grande gruppo giapponese noto da decenni nel settore delle batterie come uno dei maggiori fornitori di separatori, le membrane che evitano che gli elettrodi di una cella entrino a contatto diretto.
Tra i molti materiali che sta sviluppando e coprono settori appunto dalle stesse batterie all’idrogeno, l’azienda si occupa anche di economia circolare e tra questi c’è ora una nuova tecnologia in grado di recuperare oltre l’80% del litio dalle batterie.
Secondo il Nikkei la società mira a commercializzare la sua tecnologia entro l’anno fiscale che terminerà a marzo 2028, puntando ad essere molto competitiva nell’appoggiare le esigenze delle aziende del riciclo proprio quando i volumi delle batterie esauste diventeranno corposi a livello globale e facendo concorrenza ai materiali con origine diretta nelle cave e miniere.
Toray sta sviluppando una membrana di nano-filtrazione (NF) realizzata in materiale polimerico con fori microscopici sulla superficie. Per estrarre il litio dalle batterie usate, i materiali vengono trattati col calore per rimuovere la plastica e altre impurità, quindi sciolti in acido. Quando il liquido viene fatto passare attraverso la membrana NF di Toray, nichel, cobalto e altri materiali vengono intrappolati nella membrana, mentre litio e acido passano attraverso i fori.
Le membrane NF sono già utilizzate da tempo per rimuovere pesticidi e altri prodotti chimici dall’acqua dei fiumi e dalle falde acquifere ma, secondo quanto scrive la testata finanziaria giapponese, sarebbe la prima volta che le membrane NF vengano applicate al recupero del litio.
Le membrane NF convenzionali non resistono normalmente bene agli acidi, ma alterandone la struttura Toray ne ha migliorato la resistenza e adesso potrà separare più facilmente le materie prime contenute nelle celle. L’azienda ha già confermato un tasso di recupero del litio superiore al 90% in fase di ricerca, che prevede di riuscire a stabilizzate oltre l’80% su scala commerciale.
Almeno a risalire dal 2020 era noto che Toray lavorava a perfezionamenti alle membrane NF (di cui si vede in apertura al microscopio uno dei primi esemplari creati in laboratorio) per migliorarne l’impiego sui veicoli.
Proprio pochi giorni fa in occasione del 91° congresso annuale della Electrochemical Society of Japan l’azienda ha presentato un altro prodotto innovativo frutto di un lavoro di sviluppo per una nuova membrana messa a punto attraverso un progetto finanziato anche da New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).
Secondo Toray la nuova membrana polimerica conduttiva di ioni offrirà 10 volte la conduttività ionica dei prodotti precedenti e potrà contribuire ad accelerare la diffusione di batterie solid state, con anodi al litio metallico o perfino quelle litio-aria, ampliando così notevolmente l’autonomia dei veicoli elettrici, i progetti di mobilità aerea urbana e altre modalità di trasporto.
La più vicina alla diffusione di massa potrebbe essere nell’ambito della ricerca per sviluppare celle al litio metallico, i cui anodi consentono una capacità energetica teorica ragguardevole. La sfida di una celle al litio metallico è nella sua elevata reattività superficiale e i problemi di stabilità associati alla sua dissoluzione ai cicli di carica e scarica.
Le caratteristiche morfologiche di questa tecnologia mettono scienziati e ricercatori a confronto con la crescita dei temuti dendriti sulle superfici degli elettrodi, che possono portare a risultati fatali per la cella.
La densa ricerca attuale concentrata sugli anodi al litio metallico coniugati a elettroliti solidi non sfugge a questo ostacolo e le applicazioni pratiche di case auto che ci lavorano, come quelle giapponesi in particolare, non li vedono pronti prima del 2027 o 2028 per il mercato.
Partendo dall’esperienza accumulata nel lavoro di design molecolare, in particolare sui polimeri aramidici, Toray ritiene di aver trovato una soluzione lavorando a membrane polimeriche non porose che riescono a migliorare la conduttività ionica attraverso un meccanismo noto ai chimici come hopping.
In una membrana un portatore di carica può spostarsi all’interno della catena polimerica e tra catene adiacenti mediante una successione di salti. Il portatore di carica potrà muoversi liberamente per salti tra un sito e l’altro della catena polimerica purché questa presenti una sufficiente coniugazione, che fa si che vi sia delocalizzazione degli elettroni. Maggiore è la lunghezza di coniugazione, maggiore è la delocalizzazione, migliore è il trasporto di carica.
Toray stima che il miglioramento della struttura del sito di hopping e la progettazione di un polimero con più siti predisposti a creare un percorso scorrevole per gli ioni di litio, abbiano prodotto la più alta conduttività ionica nell’intervallo 10-4 S/cm riscontrabile in un film polimerico.
Toray ha confermato che la pellicola polimerica funziona efficacemente come pellicola protettiva sulle superfici del litio metallico per superare i problemi menzionati in precedenza e dovrebbe prolungare la durata delle batterie che utilizzano anodi al litio metallico invece di quelli convenzionali in grafite (o in grafite e con piccole percentuali di silicio).
Una ricerca congiunta col Professor Nobuyuki Imanishi della Graduate School of Engineering dell’Università di Mie ha validato per la prima volta il raggiungimento di 100 cicli di carica-scarica in una batteria litio-aria a due componenti che utilizza questa membrana polimerica come separatore. Ora Toray accelererà sulla ricerca per identificare rapidamente la tecnologia da utilizzare su batterie allo stato solido, litio-aria e altre.
