Nel corso dell’ultimo ventennio le batterie agli ioni di litio sono diventate dei punti di riferimento per un’ampia varietà di dispositivi elettronici e auto elettriche. Il predominio sul resto ha indotto le società a destinare dei grossi investimenti nelle attività di sviluppo. Poi, però, come spesso accade con le nuove tecnologie, il tempo ha portato a galla delle lacune, in precedenza trascurate. Dei punti critici hanno spinto a valutare un “piano B”: le batterie al potassio.
Nonostante il contributo apportato alla società odierna, il litio soffre di una serie di svantaggi considerevoli che devono essere presi in esame. In caso contrario, si rischierebbe di creare un sistema poco sostenibile, soprattutto nel medio-lungo periodo. In particolare, la disponibilità limitata del metallo ne limita l’utilizzo.
L’investimento in termini di tempo e spazio suggerisce la necessità di esaminare alternative efficaci. Inoltre, non dobbiamo trascurare l’impatto in termini di sicurezza e sull’ambiente. La produzione delle batterie per auto elettriche realizzate in questo modo comporta, infatti, notevoli emissioni di anidride carbonica. Secondo uno studio dell’Università di Harvard, le vetture elettriche diventano convenienti solo dopo aver percorso almeno 45.000 chilometri. Quindi, paradossalmente, inizialmente potrebbe essere preferibile optare per veicoli a benzina. L’obiettivo dovrebbe essere quello di ridurre le emissioni di sostanze nocive nell’ambiente.
I continui segnali di allarme lanciati dal Pianeta sottolineano l’importanza di adottare misure valide; altrimenti, il nostro futuro e soprattutto quello delle prossime generazioni rischiano seriamente. Il surriscaldamento globale è un problema da tenere seriamente in considerazione, per cui r’appare apprezzabile l’idea di esplorare percorsi alternativi. I problemi incontrati hanno spinto gli scienziati di tutto il mondo a interrogarsi se esistano soluzioni migliori, come ad esempio gli accumulatori agli ioni di potassio (KIB).
Gli KIB costituiscono un chiaro esempio, poiché sono ottenuti da materiali ampiamente disponibili e più sicuri delle controparti tradizionali. Inoltre, utilizzano un elettrolita a base di acqua e sale, il che rende il processo più stabile dal punto di vista termico e chimico. Tuttavia, una delle principali sfide delle unità acquose ad alta tensione è prevenire lo sviluppo di idrogeno sull’elettrodo negativo al fine di garantirne la stabilità. Sebbene le interfacce elettrochimiche solide (SEI) che si formano tra tali elettrodi e la soluzione elettrolitica contribuiscano a stabilizzare gli elettrodi nei LIB, di solito non vengono studiate nel contesto dei KIB.
Lo studio dell’Università delle Scienze di Tokyo
Per ovviare a questa importante mancanza di conoscenza, un’unità di ricerca dell’Università delle Scienze di Tokyo ha condotto uno studio pionieristico al fine di ottenere un’idea chiara e dettagliata sulle relative potenzialità. L’elaborato, condotto dal professor Shinichi Komaba dell’istituto giapponese, si avvale della collaborazione del professore associato junior Ryoichi Tatara, del dottor Zachary T. Gossage e di Nanako Ito. Gli autori hanno principalmente impiegato due tecniche analitiche avanzate: la microscopia elettrochimica a scansione (SECM) e la spettrometria di massa elettrochimica operativa (OEMS).
Lo scopo era osservare come le interfacce elettrochimiche solide si formassero e reagissero in tempo reale durante il funzionamento di una batteria agli ioni di potassio con un elettrodo negativo di diimmide e una soluzione sviluppata precedentemente dalla stessa unità di lavoro. Gli esperimenti condotti hanno rivelato che il SEI forma uno strato passivante nell’elettrolita acqua-simile, simile a quanto osservato negli accumulatori agli ioni di litio, con velocità apparentemente lente di trasferimento degli elettroni, contribuendo a sopprimere l’evoluzione dell’idrogeno. Ciò è in grado di garantire performance stabili e una maggiore durata dei KIB.
D’altra parte, gli autori hanno rilevato che la copertura lascia a desiderare a tensioni operative più elevate, conducendo allo sviluppo di idrogeno. La conclusione è che i risultati mostrano la necessità di valutare soluzioni alternative al fine di migliorare la formazione di SEI nelle future unità acquose. Sebbene i risultati rivelino dettagli interessanti sulle proprietà e la stabilità del SEI, spiega Komaba, è necessario concentrarsi sul rafforzamento della rete per determinare una migliore funzionalità. Il SEI è perfezionabile mediante lo sviluppo di ulteriori elettroliti che producano SEI unici, nonché l’incorporazione di additivi elettrolitici e il pretrattamento della superficie dell’elettrodo.
Tra i diversi meriti dello studio, vi è anche la dimostrazione delle potenzialità delle tecniche di indagine, tali da prefigurare un netto miglioramento nella fabbricazione degli accumulatori di prossima generazione. La speranza di Komaba, condivisa dai collaboratori, è che il lavoro incoraggi altri ricercatori a capitalizzare le metodologie SECM e OEMS negli studi avanzati per l’applicazione nelle misure tradizionali, così da ottenere un quadro più ampio e approfondito. Lo sviluppo delle batterie ad acqua, come le batterie agli ioni di potassio, sarà imprescindibile per le società sostenibili del futuro. Infatti, almeno sulla carta, costituiscono un’alternativa efficace alle batterie per auto elettriche agli ioni di litio, la cui sostituzione si rivela costosa e pericolosa.
Attualmente impiegate nella realizzazione delle BEV, si tratta dell’opzione più indicata con le conoscenze attuali. Tuttavia, nulla impedisce la definizione di un’alternativa migliore, anche nei sistemi di energia rinnovabile e nelle applicazioni marine. Rendendo lo stoccaggio dell’energia più accessibile, gli accumulatori illustrati nel presente articolo aprono la strada alla generazione di energia a zero emissioni di carbonio e a un domani contraddistinto da minori emissioni nel pianeta. Chiunque avrebbe da guadagnarci, dalla popolazione agli operatori dell’industria automobilistica e non solo. Ulteriori approfondimenti consentiranno di avere un quadro dettagliato.
