Nuove batterie litio-zolfo in arrivo?

Un team di ricercatori dell'Università di Waterloo ha sintetizzato un prototipo di una batteria ricaricabile litio-zolfo che grazie ad una particolare struttura a livello nanoscopico è in grado, a parità di volume, di stoccare il triplo di potenza/energia rispetto ad una tradizionale batteria agli ioni di litio ma con un peso significativamente inferiore e potenzialmente più economica da produrre.

Il principio di funzionamento resta il medesimo delle batterie agli ioni di litio: la carica elettrica viene stoccata in un elettrodo durante la fase di ricarica, per poi essere rilasciata all'altro elettrodo nella fase di scarica. In questo caso, tuttavia, la differente struttura atomica dei materiali coinvolti implica una serie di sostanziali differenze nelle reazioni chimiche reversibili necessarie per il funzionamento, ed alcune difficoltà per poter realizzare una batteria che sia realmente efficiente.

Pertanto, al fine di ottenere una batteria ad elevate prestazioni, lo zolfo deve poter restare in stretto contatto con un conduttore, come il carbonio. Il gruppo di ricercatori ha ideato un modo per risolvere il problema su base nanoscopica, impiegando il carbonio mesoporo, un materiale caratterizzato da una struttura porosa uniforme su scala nanoscopica.

Il team ha assemblato una nanostruttura di steli di carbono separati da canali vuoti, lo zolfo è stato quindi colato per riempire i piccoli vuoti: tutto lo spazio disponibile è stato uniformemente riempito con lo zolfo, andando così a massimizzare la superficie in diretto contatto con il carbonio ed incrementando l'efficienza della batteria.

La combinazione di litio e zolfo fornisce molta più densità di energia permettendo, al contempo, di ridurre il costo dei materiali impiegati. Secondo alcuni test eseguiti dai ricercatori, il materiale composito sintetizzato è in grado di fornire circa l'84% della capacità teorica dello zolfo, ovvero tre volte tanto la densità di energia dei catodi di litio. Il risultato è quello di una batteria che può essere più efficiente e leggera allo stesso tempo.

Il team ha stimato che la densità di energia del solo elettrodo positivo possa arrivare a circa 1200 wh/kg: a seconda degli altri componenti impiegati per la realizzazione della cella si può così arrivare ad una densità complessiva, per cella, di circa 500wh/kg, ovvero dalle 3 alle 5 volte di quanto possible con una convenzionale batteria agli ioni di litio.

Vi sono comunque alcuni problemi che devono essere risolti, in particolare dal punto di vista della sicurezza. La batteria litio-zolfo impiega un elettrodo negativo composto da litio metallico e pertanto è necessario utilizzare un adeguata copertura atta a passivizzare l'elettrodo ed evitare che si inneschino reazioni non volute e potenzialmente dannose. L'ostacolo pare comunque essere facilmente superabile, dal momento che altre realtà hanno già avuto modo di sviluppare tecnologie di passivazione che potrebbero essere impiegate per questo scopo.

A riguardo dei costi di produzione il team di ricerca ha voluto precisare che i materiali grezzi impiegati per la realizzazione di questa batteria (carbonio e zolfo) sono meno dispendiosi rispetto a quelli impiegati per la realizzazione delle batterie di litio, ma che è comunque difficile poter avere una stima realistica dei costi di produzione complessivi in quanto molto dipende anche da altri elementi e processi coinvolti, a loro volta legati all'ottimizzazione dei materiali e alla configurazione della batteria.

Per maggiori approfondimenti rimandiamo alla pubblicazione ufficiale.