Gli scienziati inventano un nuovo tipo di batteria

Di Vienna University of Technology15 maggio 2023

Un prototipo della batteria alla TU Wien. Credito: TU Vienna

I ricercatori della TU Wien (Vienna) hanno sviluppato una batteria agli ioni di ossigeno innovativa, che vanta una durata eccezionale, elimina la necessità di elementi rari e risolve il problema dei rischi di incendio.

Le batterie agli ioni di litio, sebbene comuni nel mondo di oggi – alimentando qualsiasi cosa, dai veicoli elettrici agli smartphone – non sono necessariamente la soluzione ottimale per tutte le applicazioni. I ricercatori della TU Wien hanno fatto un passo avanti creando una batteria agli ioni di ossigeno che offre numerosi vantaggi significativi. Anche se potrebbe non eguagliare la densità energetica delle batterie agli ioni di litio, la sua capacità di stoccaggio non diminuisce in modo irreversibile nel tempo, rendendola capace di una durata di vita eccezionalmente lunga poiché può essere rigenerata.

Inoltre, la fabbricazione di batterie agli ioni di ossigeno non richiede elementi scarsi e coinvolge materiali non combustibili. L’innovativo concetto di batteria ha già portato a una domanda di brevetto, depositata in collaborazione con partner in Spagna. Queste batterie agli ioni di ossigeno potrebbero fornire una soluzione eccezionale per i sistemi di accumulo di energia su larga scala, come quelli necessari per trattenere l’energia elettrica da fonti rinnovabili.

"Abbiamo già da tempo molta esperienza con i materiali ceramici che possono essere utilizzati per le celle a combustibile", afferma Alexander Schmid dell'Istituto per le tecnologie chimiche e l'analisi della TU Vienna. "Questo ci ha dato l'idea di indagare se tali materiali potessero essere adatti anche per realizzare una batteria."

I materiali ceramici studiati dal team della TU Wien possono assorbire e rilasciare ioni di ossigeno con doppia carica negativa. Quando viene applicata una tensione elettrica, gli ioni di ossigeno migrano da un materiale ceramico all'altro, dopodiché possono essere fatti migrare nuovamente, generando così corrente elettrica.

Prof. Jürgen Fleig, Tobias Huber e Alexander Schmid (da sinistra a destra). Credito: TU Vienna

"Il principio di base è in realtà molto simile a quello della batteria agli ioni di litio", afferma il prof. Jürgen Fleig. "Ma i nostri materiali presentano alcuni vantaggi importanti." La ceramica non è infiammabile, quindi gli incendi che si verificano spesso con le batterie agli ioni di litio sono praticamente esclusi. Inoltre non sono necessari elementi rari, che sono costosi o che possono essere estratti solo in modo dannoso per l’ambiente.

"In questo senso l'uso dei materiali ceramici rappresenta un grande vantaggio perché possono essere adattati molto bene", afferma Tobias Huber. "Puoi sostituire alcuni elementi difficili da ottenere con altri in modo relativamente semplice." Il prototipo della batteria utilizza ancora il lantanio, un elemento non proprio raro ma nemmeno del tutto comune. Ma anche il lantanio dovrà essere sostituito da qualcosa di più economico e la ricerca in merito è già in corso. Il cobalto o il nichel, utilizzati in molte batterie, non vengono utilizzati affatto.

Ma forse il vantaggio più importante della nuova tecnologia delle batterie è la sua potenziale longevità: "In molte batterie c'è il problema che ad un certo punto i portatori di carica non possono più muoversi", dice Alexander Schmid. "Quindi non possono più essere utilizzate per generare elettricità, la capacità della batteria diminuisce. Dopo molti cicli di ricarica, questo può diventare un problema serio."

La batteria agli ioni di ossigeno, invece, può essere rigenerata senza problemi: se a causa di reazioni collaterali si perde ossigeno, la perdita può essere semplicemente compensata dall'ossigeno dell'aria ambiente.

Il nuovo concetto di batteria non è destinato agli smartphone o alle auto elettriche, perché la batteria agli ioni di ossigeno raggiunge solo circa un terzo della densità energetica a cui siamo abituati dalle batterie agli ioni di litio e funziona a temperature comprese tra 200 e 400 °C. La tecnologia è tuttavia estremamente interessante per l’immagazzinamento di energia.

"Se avete bisogno di un grande accumulatore di energia per immagazzinare temporaneamente, ad esempio, l'energia solare o eolica, la batteria agli ioni di ossigeno potrebbe essere un'ottima soluzione", afferma Alexander Schmid. "Se si costruisce un intero edificio pieno di moduli di accumulo dell'energia, la minore densità di energia e l'aumento della temperatura operativa non giocano un ruolo decisivo. Ma lì i punti di forza della nostra batteria sarebbero particolarmente importanti: la lunga durata, la possibilità di produrre grandi quantità quantità di questi materiali senza elementi rari e il fatto che non vi è alcun rischio di incendio con queste batterie."