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Un team internazionale di ricercatori guidato dalla Stanford University ha sviluppato batterie ricaricabili che possono immagazzinare fino a sei volte più carica di quelle attualmente disponibili in commercio.

L'avanzamento, dettagliato in un nuovo documento pubblicato il 25 agosto sulla rivista Nature, potrebbe accelerare l'uso di batterie ricaricabili e mette i ricercatori delle batterie un passo più vicino verso il raggiungimento di due obiettivi principali dichiarati del loro campo: creare una batteria ricaricabile ad alte prestazioni che potrebbe consentire ai telefoni cellulari di essere caricati solo una volta alla settimana invece di tutti i giorni e veicoli elettrici che possono viaggiare sei volte più lontano senza una ricarica.

Le nuove cosiddette batterie alcalino metalliche al cloro, sviluppate da un team di ricercatori guidati dal professore di chimica di Stanford Hongjie Dai e dal dottorando Guanzhou Zhu, si basano sulla conversione chimica avanti e indietro del cloruro di sodio (Na/Cl2) o del cloruro di litio (Li/Cl2) in cloro.

Quando gli elettroni viaggiano da un lato all'altro di una batteria ricaricabile, la ricarica riporta la chimica al suo stato originale in attesa di un altro uso. Le batterie non ricaricabili non hanno questa fortuna. Una volta scaricate, la loro chimica non può essere ripristinata.

"Una batteria ricaricabile è un po' come una sedia a dondolo. Si inclina in una direzione, ma poi torna indietro quando si aggiunge elettricità", ha spiegato Dai. "Quello che abbiamo qui è una sedia a dondolo ad alta rotazione".

Scoperta serendipitosa

Il motivo per cui nessuno aveva ancora creato una batteria ricaricabile al sodio-cloro o al litio-cloro ad alte prestazioni è che il cloro è troppo reattivo e difficile da riconvertire in cloruro con alta efficienza. Nei pochi casi in cui altri sono stati in grado di raggiungere un certo grado di ricaricabilità, le prestazioni della batteria si sono rivelate scarse.

In effetti, Dai e Zhu non si sono posti l'obiettivo di creare una batteria ricaricabile al sodio e al litio-cloro, ma semplicemente di migliorare le tecnologie delle batterie esistenti utilizzando il cloruro di tionile. Questa sostanza chimica è uno degli ingredienti principali delle batterie al litio-cloruro di tionile, che sono un tipo popolare di batteria monouso inventato negli anni '70.

Ma in uno dei loro primi esperimenti che coinvolgevano cloro e cloruro di sodio, i ricercatori di Stanford hanno notato che la conversione di una sostanza chimica in un'altra si era in qualche modo stabilizzata, risultando in una certa ricaricabilità. "Non pensavo fosse possibile", ha detto Dai. "Ci è voluto almeno un anno per capire davvero cosa stava succedendo".

Nel corso degli anni successivi, il team ha chiarito la chimica reversibile e ha cercato modi per renderla più efficiente sperimentando molti materiali diversi per l'elettrodo positivo della batteria. La grande svolta è arrivata quando hanno formato l'elettrodo usando un materiale di carbonio poroso avanzato dai collaboratori, il professor Yuan-Yao Li e il suo studente Hung-Chun Tai della National Chung Cheng University di Taiwan. Il materiale di carbonio ha una struttura a nanosfera piena di molti pori ultra-piccoli. In pratica, queste sfere cave agiscono come una spugna, assorbendo quantità copiose di molecole di cloro altrimenti permalose e conservandole per una successiva conversione in sale all'interno dei micropori.

"La molecola di cloro viene intrappolata e protetta nei minuscoli pori delle nanosfere di carbonio quando la batteria è carica", ha spiegato Zhu. "Poi, quando la batteria deve essere scaricata, possiamo scaricare la batteria e convertire il cloro in NaCl - sale da cucina - e ripetere questo processo per molti cicli. Attualmente possiamo fare fino a 200 cicli e c'è ancora spazio per migliorare".

Il risultato è un passo verso l'anello d'ottone del design delle batterie - alta densità di energia. I ricercatori hanno finora raggiunto 1.200 milliampere per grammo di materiale elettrodico positivo, mentre la capacità della batteria agli ioni di litio commerciale oggi è fino a 200 milliampere per grammo. "La nostra ha una capacità almeno sei volte superiore", ha detto Zhu.

I ricercatori prevedono che un giorno le loro batterie saranno utilizzate in situazioni in cui la ricarica frequente non è pratica o desiderabile, come nei satelliti o nei sensori remoti. Molti satelliti altrimenti utilizzabili stanno ora galleggiando in orbita, obsoleti a causa delle loro batterie scariche. I futuri satelliti dotati di batterie ricaricabili a lunga durata potrebbero essere dotati di caricatori solari, estendendo la loro utilità molte volte.

Per ora, però, il prototipo funzionante che hanno sviluppato potrebbe essere ancora adatto per l'uso in piccoli dispositivi elettronici di uso quotidiano come apparecchi acustici o telecomandi. Per l'elettronica di consumo o i veicoli elettrici, rimane ancora molto lavoro per ingegnerizzare la struttura della batteria, aumentare la densità di energia, scalare le batterie e aumentare il numero di cicli.