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L’importanza fondamentale delle fonti energetiche estrattive e la dipendenza dal petrolio, potrebbero subire un drastico ridimensionamento. Le “energie alternative” sono, per il momento, lontane dal poter sostituire petrolio e suoi derivati, soprattutto nel campo dell’autotrazione. L’energia “idrica” necessita di grandi investimenti, indispensabili per costruire dighe ed impianti. L’energia “eolica” è possibile attraverso un compromesso con il negativo impatto ambientale visivo, oltre a comportare considerevoli investimenti per impianto e manutenzione. L’energia “solare” è quella che introduce un futuro a zero impatto ambientale, attraverso oculati investimenti strutturali. A ben vedere le energie verdi alternative, mirano in sintesi alla produzione di energia elettrica, possibile anche attraverso l’utilizzo di combustibile fossile a ben altro impatto ambientale. Allo stato dell’arte, i problemi da risolvere riguardano in modo specifico gli “accumulatori” definiti in modo assai generico con il termine “batteria”. Capacità, durata per carico/scarico e performance, ed alti costi, rappresentano gli ostacoli da superare.

ANODI DAL VETRO RICICLATO:

Bottiglie riciclate e un processo chimico low cost, sono gli ingredienti segreti per creare anodi in nanosilicio da usare nelle batterie al litio.

Nella produzione dei dispositivi di energy storage, gli scienziati stanno testando letteralmente qualsiasi materiale. Non sorprende quindi più tanto sapere che all’Università della California di Riverside, gli ultimi progressi nel campo delle batterie al litio si sono ottenuti grazie al riciclo del vetro.  

Un team di ingegneri dell’ateneo sta impiegando vecchie bottiglie in vetro ed un processo chimico low cost per creare anodi di nanosilicio per batterie ad alte prestazioni. Come spiegano nel paper pubblicato sulla rivista Nature, nonostante la diffusione dei programmi di riciclaggio, ogni anno miliardi di bottiglie di vetro finiscono in discarica. Gli scienziati si sono chiesti se non fosse possibile sfruttare il biossido di silicio delle bottiglie per ottenere direttamente nanoparticelle di silicio ad alta purezza. “Abbiamo iniziato con un prodotto di scarto diretto verso la discarica per creare le batterie che stoccano più energia, si ricaricano più velocemente, e sono stati più stabili rispetto alle pile a bottone commerciali”, spiega Changling Li tra gli autori del lavoro. A differenza di quelli convenzionali in grafite, gli elettrodi in silicio possono memorizzare fino a dieci volte più energia. Tra tutti i materiali impiegati per realizzare gli anodi, il silicio dimostra infatti sia la più alta capacità gravimetrica che volumetrica. 

Inoltre ha una tensione di scarica relativamente bassa, oltre ad essere il secondo elemento per abbondanza sulla crosta terrestre. Purtroppo l’alterazione del volume durante i cicli di carica/scarica delle batterie, li rende particolarmente instabili. 

Una delle possibilità per superare tali inconvenienti è rappresentata dall’uso di silicio nano-strutturato che permette all’anodo di assorbire lo stress associato alle ripetute ricariche. Il team ha personalizzato la ricetta: per creare gli anodi ha utilizzato un processo in tre fasi che coinvolge il riciclo del vetro. Gli scienziati hanno frantumato e macinato le bottiglie fino ad ottenere una polvere bianca, successivamente sottoposta a riduzione, per trasformare il biossido di silicio in silicio nano-strutturato. Quindi, le nanoparticelle sono state rivestite in carbone per migliorarne la stabilità e le proprietà di immagazzinamento dell’energia. Il risultato è stato una batteria agli ioni di litio in grado di immagazzinare quattro volte più energia dei dispositivi tradizionali. Una sola bottiglia di vetro, evidenziano i ricercatori, è sufficiente a creare centinaia di pile a bottone ad alte prestazioni.

UN GEL PER LE BATTERIE AL LITIO:

I nanofili delle batterie al litio si spezzano dopo poche migliaia di cicli di ricarica. La durata della batteria è una delle principali sfide per i produttori di auto elettriche e per le imprese che operano nello storage. Le batterie al litio di oggi concludono la loro vita utile in pochi anni. Più volte vengono sottoposte a cicli di carica e scarica, più si esauriscono. I ricercatori dell’Università di Irvine, in California (UCI), ritengono di aver scoperto come aumentare la resistenza alla trazione dei nanofili, la cui rapida usura rappresenta il punto debole delle batterie al litio. I ricercatori hanno sperimentato una soluzione che rappresenta un enorme passo avanti nell’efficienza degli accumulatori, che permetterebbe di estenderne la durata virtualmente per sempre. Questi minuscoli filamenti, migliaia di volte più sottili di un capello umano, sono altamente conduttivi e riescono a stoccare e trasferire gli elettroni su un’ampia porzione della loro superficie. Sono estremamente fragili, e non reggono i ripetuti cicli di carica e scarica senza perdere efficacia. Gli scienziati californiani, hanno individuato una modalità per rendere i nanofili più resistenti all’usura/rottura. Il team ha rivestito un nanofilo d’oro con un involucro di diossido di manganese, racchiudendo il tutto in un elettrolita costituito da un gel di carbonato di propilene, molto simile al plexiglass. 

Se i condensatori realizzati con nanofili non rivestiti garantiscono una vita utile tra i 2 mila e gli 8 mila cicli, quelli così protetti sono in grado di sopportarne fino a 200 mila. Il merito è del gel, che plastifica l’ossido di metallo nella batteria conferendogli la flessibilità che previene la rottura dei fili. L’elettrodo rinforzato è stato testato, sottoponendolo a 200 mila cicli di carica e scarica in tre mesi. Non si è verificata alcuna perdita di capacità o di potenza, né fratture nei nanofili. «I condensatori a nanofili possono durare dagli attuali 2-8 mila a più di 100 mila cicli, semplicemente sostituendo un elettrolita liquido con un elettrolita in gel» La ricerca dimostra che l’elettrodo in nanofili di una batteria al litio può avere una vita molto più lunga dell’oggetto che deve alimentare. La realizzazione pratica di questa nuova scoperta, potrebbe determinare la costruzione di accumulatori “eterni” per computer, smartphone, elettrodomestici, automobili e perfino veicoli spaziali