Non temono il freddo estremo e hanno anche una vita utile lunga, ma non mancano i problemi: la scoperta dell'Università di San Diego

Fino a oggi parlare di futuro delle batterie significava quasi sempre parlare di stato solido. Ma ora gli ingegneri dell’Università di San Diego, in California, affermano che grandi risultati si possono ottenere anche con un elettrolita… gassoso.

Già. Il segreto sarebbe quello di usare un gas in grado di migliorare enormemente sia la sicurezza delle batterie agli ioni di litio sia le loro prestazioni. Solo che per funzionare correttamente ha bisogno di temperature estremamente basse. Tanto da renderlo un gas liquefatto, un gas che in determinate condizioni di temperatura e pressione si presenta allo stato liquido.

Non temono il freddo

Il nuovo elettrolita, costituito da fluorometano, viene inserito all'interno delle celle attraverso vaporizzazione. “Il nostro elettrolita gassoso – spiega Zheng Chen, professore di nanotecnologie che ha guidato lo studio – viene portato allo stato liquido e in questo modo intrappola le molecole dei gas volatili all’interno della batterie rendendola stabile e molto meno soggetta ad aumenti di pressione”.

Non è solo una questione di sicurezza. Il nuovo elettrolita, come detto, funziona molto bene anche a temperature molto rigide. A -40 gradi, ad esempio, ha mostrato una capacità di 500 milliamperora per grammo. A quella stessa temperatura, una batteria tradizionale non presenta sostanzialmente più nessuna capacità. Inoltre, dopo averla lasciata inattiva per due mesi a -40 gradi, la batteria con elettrolita gassoso ha ripreso a funzionare con le stesse prestazioni di prima. A dimostrazione del fatto che regge bene l'usura e che potrà contare su una vita molto lunga.

ISS

Per lo spazio, o gli abissi

Una batteria in grado di funzionare bene in climi freddi offre incredibili vantaggi in certe aree di utilizzo. Su applicazioni aerospaziali (campo nel quale si stanno testando batterie di vario tipo), ad esempio, sui satelliti o su imbarcazioni che scendono nelle profondità marine.

Il lavoro del professor Chen e del suo team porta avanti le ricerche svolte dal professor Yung Shirley Meng, anch’egli dell’Università di San Diego, che per primo ha realizzato batterie agli ioni di litio in grado di funzionare correttamente anche a -60 gradi centigradi. Il segreto è proprio nell'elettrolita di fluorometano, che resiste molto più efficacemente al congelamento e continua a funzionare correttamente in condizioni alle quali una normale batteria agli ioni di litio perde gran parte delle proprie capacità.

Il problema del cambio di stato

Gli inconvenienti, però, non mancano. Se queste batterie funzionano bene con il freddo, possono andare in crisi all’aumentare della temperatura o alla diminuzione della pressione interna. In questi casi il fluorometano potrebbe tornare allo stato gassoso. E questo comporterebbe un enorme problema di sicurezza. Per mantenere l’elettrolita in forma liquida, quindi, è necessario creare celle ad alta pressione.

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Oppure, come spiega ancora il professor Chen, si deve trovare il modo di mantenere il gas allo stato liquido anche con pressioni meno elevate. Ed è qui che i ricercatori hanno fatto consistenti passi in avanti. Grazie all’uso di nanotecnologie hanno realizzato una struttura porosa metallo-organica chiamata MOF (Metal Organic Framework), che permette di intrappolare le particelle dell’elettrolita e mantenerlo allo stato liquido anche senza incrementare eccessivamente le pressioni. Si tratta di un fenomeno conosciuto come condensazione capillare.

“Grazie alla presenza della nostra MOF – spiega Chen – si riesce a mantenere l’elettrolita allo stato liquido anche a pressioni meno elevate di quelle necessarie se non si utilizzasse questa struttura”. Per fare un esempio, a -30 gradi il fluorometano condensa se sottoposto a una pressione di 8 atmosfere. Con la MOF, invece, è sufficiente una pressione di 0,74 atmosfere. I ricercatori utilizzano una pressione interna di 4,7 atmosfere circa, che garantisce il mantenimento dello stato liquido del gas anche a temperature più elevate.