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Riassunto
La notizia sulle batterie al fluoruro arriva da un materiale che, a prima vista, potrebbe sembrare un dettaglio. È una membrana in gel quasi solido, sviluppata al Politecnico di Milano per far muovere gli ioni fluoruro a temperatura ambiente. Il comunicato diffuso il 5 novembre racconta un risultato di laboratorio che affronta un problema molto concreto. Se una batteria deve scaldarsi parecchio prima di funzionare come previsto, una parte dell’energia finisce per tenere in temperatura la batteria stessa. Il gruppo milanese ha cercato di intervenire proprio su quel passaggio.
Il lavoro, apparso su Energy Storage Materials, riguarda sia la membrana sia le sue prove in una piccola cella sperimentale. È questo il dettaglio da tenere a mente quando si leggono le ipotesi su auto elettriche più leggere o accumulatori più capienti. Gli studiosi hanno misurato quanto bene il materiale fa passare gli ioni e hanno osservato il comportamento della cella durante ripetuti cicli. Quanto peserebbe un pacco finito o quanta strada farebbe un’auto restano domande aperte. Per capire perché il risultato ha attirato attenzione, conviene partire da ciò che succede dentro la cella.
Il gel fa passare gli ioni a temperatura ambiente
Mentre una batteria alimenta un dispositivo, gli elettroni si muovono lungo il circuito esterno. Dentro la cella c’è un altro percorso, quello degli ioni, reso possibile dall’elettrolita. Se gli ioni fanno fatica a muoversi, quel percorso diventa un collo di bottiglia. Nelle batterie agli ioni di litio il trasporto riguarda gli ioni di litio. Qui il compito spetta agli ioni fluoruro, che hanno carica negativa. Cambia quindi la chimica con cui lavorano elettrolita ed elettrodi. Trovare un materiale adatto richiede di mettere insieme più proprietà, dalla facilità di trasporto alla stabilità quando la cella viene caricata e scaricata.
Per alcune generazioni precedenti di batterie al fluoruro si puntava sul calore. Il Politecnico cita temperature operative nell’ordine dei 100–150 gradi per favorire il movimento degli ioni. Il riscaldamento può aiutare il materiale a condurre, ma introduce un costo energetico e un problema di progettazione. Serve portare la batteria alla temperatura di lavoro e gestire il calore nel sistema in cui la si installa. Una membrana che conduce già a temperatura ambiente cambia questo punto di partenza, anche se rimane da capire come si comporterebbe in tutte le condizioni d’uso reali.
Il gruppo ha lavorato su un polimero con gruppi chimici progettati per favorire il passaggio degli ioni fluoruro. Con una miscela di solventi i ricercatori hanno fatto rigonfiare il materiale, migliorandone la conducibilità. Il risultato è un elettrolita quasi solido che si presenta come una membrana. Le simulazioni di dinamica molecolare hanno aiutato a capire il ruolo dei solventi, mentre le misure elettrochimiche hanno dato un riscontro sperimentale. La stessa proprietà viene così osservata a due scale, da come interagiscono le molecole fino alla risposta del materiale sottoposto a misura.
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Lo studio riporta valori di conducibilità fino a circa 1,3 millesimi di siemens per centimetro a temperatura ambiente e un comportamento stabile per più di 50 cicli nella configurazione sperimentale a bottone. Il primo dato descrive quanto facilmente si spostano gli ioni attraverso l’elettrolita. Il secondo mostra che il processo si è potuto ripetere in quelle condizioni. I due numeri rispondono a domande diverse e nessuno dei due misura l’autonomia di un dispositivo. La scala della prova conta anche per un altro motivo. Una piccola cella permette di isolare il comportamento della chimica, mentre un sistema più grande deve fare i conti con la produzione uniforme dei materiali e con ciò che succede in ogni zona del pacco.
La prova decisiva arriva quando la cella cresce
Il confronto con il litio comincia a diventare interessante quando si guarda a quanta energia si potrebbe accumulare a parità di peso. Nel comunicato il Politecnico cita circa 600 wattora al chilo come ordine di grandezza teorico per questa famiglia di batterie, a fronte dei circa 150–250 citati per quelle convenzionali agli ioni di litio. Il valore teorico serve a spiegare perché si studia la chimica. Per ottenere un numero confrontabile bisogna considerare anche il peso dell’involucro, dei collegamenti e degli altri elementi che fanno parte di una batteria funzionante. Il risultato misurato per questa ricerca riguarda il trasporto degli ioni e il funzionamento della piccola cella, su un piano diverso da quel confronto.
Un altro punto riguarda la sicurezza. Il Politecnico descrive la membrana come non infiammabile, una caratteristica interessante per chi deve scegliere i materiali di un accumulatore. Per capire come reagirebbe una batteria completa occorrerebbe però osservare insieme elettrodi, elettrolita, contenitore e protezioni. Che cosa succede se il sistema si scalda troppo, si danneggia o viene caricato oltre le condizioni previste? Sono prove distinte dalla misura del trasporto a temperatura ambiente. Anche l’abbondanza delle materie prime, citata tra le ragioni per esplorare il fluoruro, andrebbe messa in relazione con i materiali effettivamente necessari e con i processi usati per produrli e recuperarli.
Il possibile impiego cambia anche quali domande conviene fare per prime. Su un drone conta quanta energia si porta in volo per ogni chilo aggiunto. Su un accumulatore fermo vicino a un impianto solare il peso può passare in secondo piano rispetto alla durata, ai costi e alla gestione dell’impianto. In un’auto bisogna considerare insieme prestazioni, ingombro, sicurezza e funzionamento al freddo e al caldo. Ecco perché un avanzamento nella membrana può interessare più settori senza indicare già quale potrebbe adottarlo per primo.
Il passaggio da seguire sarà vedere se il vantaggio a temperatura ambiente regge con celle più grandi e per un numero molto maggiore di cicli. Contano anche la velocità di ricarica e quanta capacità rimane dopo un uso ripetuto. Sono misure che permetterebbero di capire se il gel funziona bene anche fuori dalla configurazione iniziale. Intanto la ricerca milanese offre un risultato preciso. Ha trovato un modo per far viaggiare gli ioni fluoruro senza ricorrere alle alte temperature citate per le generazioni precedenti e lo ha messo alla prova dentro una cella. È da quel risultato che riparte il lavoro sulle batterie al fluoruro.
Quale prova vi incuriosisce di più, un accumulatore per le rinnovabili che regga molti cicli o una batteria più leggera per i veicoli elettrici? Ditecelo nei commenti, continuate a leggere gli articoli sul sito e seguite il canale YouTube Top Games.
