Batterie al Magnesio

Superati i principali ostacoli tecnici nelle batterie al magnesio

Gli scienziati del National Renewable Energy Laboratory (NREL) hanno scoperto un nuovo approccio per lo sviluppo di una batteria ricaricabile in magnesio metallico non acquosa.

Un documento pubblicato su Nature Chemistry ha descritto in dettaglio come hanno aperto la strada a un metodo per abilitare la chimica reversibile del magnesio nel metallo negli elettroliti a base di carbonato non corrosivo e testato il concetto in una cella prototipo. La tecnologia possiede potenziali vantaggi rispetto alle batterie agli ioni di litio, in particolare, una maggiore densità di energia, una maggiore stabilità e costi inferiori.

La tecnologia dominante della batteria agli ioni di litio si sta avvicinando alla quantità massima di energia che può essere immagazzinata per volume, così c’è un’urgente necessità di esplorare nuovi tipi di batteria in grado di fornire più energia a un costo inferiore.

Una reazione elettrochimica alimenta una batteria mentre gli ioni fluiscono attraverso un liquido (elettrolita) dall’elettrodo negativo (catodo) all’elettrodo positivo (anodo). Per le batterie che utilizzano litio, l’elettrolita è una soluzione salina contenente ioni di litio. Inoltre, è importante che la reazione chimica sia reversibile in modo che la batteria possa essere ricaricata.

Le batterie al magnesio (Mg) contengono teoricamente quasi il doppio dell’energia per volume delle batterie agli ioni di litio. Ma le ricerche fino ad ora hanno incontrato un ostacolo: le reazioni chimiche dell’elettrolita convenzionale hanno creato una barriera sulla superficie del magnesio che ha impedito alla batteria di ricaricarsi. Gli ioni di magnesio potevano fluire in direzione inversa solo attraverso un elettrolita liquido altamente corrosivo, ma questo impediva la possibilità di creare una batteria di magnesio commerciale.

Nel tentativo di superare questi ostacoli, i ricercatori hanno sviluppato un’interfase (uno strato cuscinetto) che proteggeva la superficie dell’anodo di magnesio. Questo anodo protetto ha dimostrato prestazioni notevolmente migliorate.

Le illustrazioni affiancate mostrano come gli scienziati NREL hanno risolto un problema con la realizzazione di una batteria ricaricabile al magnesio.

Gli scienziati hanno assemblato cellule prototipo per dimostrare la robustezza dell’interfase artificiale e hanno trovato risultati promettenti: la cella con l’anodo protetto ha consentito risultati mai dimostrati prima. La cella con questo anodo protetto ha anche fornito più energia del prototipo senza protezione e ha continuato a farlo durante cicli ripetuti. Inoltre, il gruppo ha dimostrato la ricaricabilità della batteria di magnesio, che fornisce una via senza precedenti.

Oltre ad essere più facilmente disponibile del litio, il magnesio ha altri potenziali vantaggi. Innanzitutto, il magnesio rilascia due elettroni al posto di uno del litio, consentendo così di erogare quasi il doppio dell’energia del litio. Inoltre, le batterie di magnesio non subiscono la crescita dei dendriti, che sono cristalli che possono causare cortocircuiti e di conseguenza pericolosi surriscaldamenti e persino incendi, rendendo le batterie di magnesio potenzialmente molto più sicure rispetto alle batterie agli ioni di litio.

L’elettrolito, una delle tre parti principali di una batteria, è responsabile del trasferimento di ioni caricati in una batteria allo stato solido. Questo crea una corrente elettrica quando le altre due parti della batteria, l’anodo e il catodo, sono collegati in un circuito.

La maggior parte delle batterie ricaricabili di smartphone, computer e altri dispositivi elettronici di consumo utilizzano un elettrolita liquido a base di litio.

Il nuovo materiale è composto da sodio, fosforo, stagno e zolfo e ha una forma di cristallo tetragonale. Ha difetti o spazi in cui sarebbero presenti alcuni atomi di sodio, stagno e zolfo, e questi consentono di trasferire ioni.

Poiché il sodio è molto più abbondante del litio, una batteria agli ioni di sodio sarebbe potenzialmente molto più economica da produrre rispetto a una batteria agli ioni di litio. Il materiale sarebbe anche più sicuro da usare.

Quando si riscaldano elettroliti liquidi, si infiammano o rilasciano molto calore che potrebbe fare danni.

Qualche mese fa un annuncio era arrivato dai ricercatori della Toyota, che prevedevano che tra 20 anni il magnesio sarà il “nuovo litio”.

Tanto tempo fa mi ricordavo di aver letto di una batteria al magnesio, già funzionante, realizzata e brevettata in Italia. Una ricerca su internet conferma che ciò avvenne nel 1997, grazie a due ricercatori dell’Università di Padova, Vito di Noto e Maurizio Fauri (che oggi lavora all’Università di Trento).

Dopo un ventennio è sempre al punto di partenza, ospitata nei laboratori universitari ancora allo stadio di prototipo funzionante, ma che, per essere industrializzato continua a necessitare di circa un milione di euro di investimento, un capitale ridicolo considerando gli sprechi a cui assistiamo ogni giorno, che però non si è mai materializzato.

La storia della batteria al magnesio di Di Noto e Fauri, è un caso emblematico di quanto sia difficile fare innovazione in Italia, ma anche di come il mondo della scienza e dell’industria sia tutt’altro che meritocratico: talvolta ad andare avanti non sono i migliori.

Prima della chiusura dell’articolo sono venuto a conoscenza di questa ultima chicca che proviene da Taiwan:

Ricercatori della National Cheng Kung University hanno infatti dimostrato un processo di stampa 3D al laser per produrre una batteria al magnesio che rispetto al Litio potrà portare, secondo il team, a batterie più piccole, fino a tre volte più efficienti e soprattutto, producibili in minuti anziché ore.”

Amilcare

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