Allo stato attuale delle cose, le batterie per auto elettriche agli ioni di litio sono le più diffuse oggi nel panorama globale. Un po’ tutte le Case le producono o, quantomeno, le ordinano da parti terze. Ma presto potrebbe non essere più così. Presto delle formule alternative potrebbero prendere il sopravvento. Perché senza nulla voler togliere alla tipologia numero uno dei giorni nostri, sussistono delle difficoltà delle quali prendere atto. In particolare, la sensazione prevalente è che abbiano ormai raggiunto il loro massimo potenziale o quasi.
A quel punto, l’unico modo di offrire delle performance superiori sarà di vagliare delle soluzioni alternative. Tra quelle appetibili sulla carta, gli accumulatori allo zinco studiate in Australia sembrano avere delle signore credenziali. Manco a dirlo, per il verdetto definitivo occorrerà aspettare. La squadra di ricercatori addetta a occuparsene sarebbe, però, giunta a un punto di svolta.
Se tenete d’occhio con attenzione alle novità di settore, obietterete che in realtà esistono già da un pezzo. E avreste pure ragione. Non ve lo siete immaginato, tolto un dettaglio: il lavoro compiuto mira a superare le annose criticità, ree di impedirne in passato il pieno sviluppo. Allora mancavano le conoscenze di base e gli strumenti per passare oltre, mentre oggi la situazione sarebbe radicalmente mutata.
L’unità di lavoro diretta dal Dr. Muhammad Rizwad Azhar avrebbe individuato la chiave decisiva. E premesso che è troppo prematuro cantare vittoria fin da ora, le prospettive appaiono incoraggianti, stando almeno alla tesi sostenuta dai protagonisti stessi. Nel corso dei prossimi paragrafi cercheremo di passare in rassegna ogni singolo elemento dietro al lavoro compiuto dall’equipe, da come sono giunti alle conclusioni fino ai possibili benefici che interessano l’industria delle quattro ruote. Nel bel mezzo, ovviamente, tratteremo i principi alla base delle nuove batterie allo zinco.
Batterie auto elettriche zinco-aria: come superano i soliti limiti
Lo zinco non è di certo una novità assoluta in quanto materiale impiegato nello stoccaggio energetico, eccetto un fatto: qui viene rivisto in misura drastica. Difatti, presenta un anodo allo zinco e un catodo comprendente l’aria. La composizione tradizionale lasciava piuttosto a desiderare sul fronte dell’affidabilità sia nella performance che nella temperatura, nonché nel ciclo vitale. Delle lacune talmente avvertite da portare in secondo piano i pro, in favore degli ioni di litio.
L’elaborato redatto dai ricercatori australiani prende, d’altro canto, le distanze, costituendo lo step evolutivo sotto qualsiasi punto di vista. La scelta di andare fino in fondo con lo zinco cela delle ragioni importanti, legate alle specifiche caratteristiche della terra dei canguri. Sebbene varie forme di batterie ricorrano a elementi rari, lo zinco è facilmente reperibile nel continente in quelle zone.
La scarsità delle materie prime è un problema realmente avvertito, al punto che negli scorsi mesi era salito agli onori delle cronache una scoperta effettuata dalla Norge Mining. La società norvegese aveva rilevato un deposito di 77,1 miliardi di tonnellate di rocca fosfatica nel sud-ovest del Paese scandinavo. L’annuncio era stato accolto con entusiasmo, giacché sarebbe in grado di soddisfare la domanda di bev, pannelli fotovoltaici e fertilizzati per mezzo secolo.
La maniera in cui i lavori andranno avanti non è dato stabilirlo, in assenza di aggiornamenti da parte della compagnia. Comunque, la Norge Mining non è l’unica a essersi attivata in materia, basti pensare appunto alla Edith Cowan University. Che ha individuato l’opportunità di capitalizzare le ricche risorse di zinco per assicurare una notevole densità energetica, un basso costo di produzione e una chimica amica dell’ambiente. Laddove gli sforzi dovessero dare i risultati sperati, allora gli stessi prezzi di listino delle vetture a zero emissioni avrebbero modo di diminuire.
I benefici
Il DR. Muhammad Rizwan Azhar evidenzia come lo zinco, combinato alla versatilità dell’aria, sia in grado di rendere il prodotto finale una via percorribile e conveniente per lo stoccaggio dell’energia. Anche senza dirlo in maniera esplicita, è ovvio che le batterie delle auto elettriche allo zinco sarebbero giusto una delle declinazioni, sebbene la più importante. Il nome completo è batterie ricaricabili zinco-aria (riassunte con l’acronimo ZAB) e consiste in dispositivi di accumulo di energia economici, capaci di offrire un’elevata densità di energia.
Per conseguire i maggiori standard di efficienza andata e ritorno – si legge nel rapporto – è cruciale sviluppare elettrodi d’aria bifunzionali durevoli, che insieme presentino un’elevata attività catalitici verso le reazioni di evoluzione/riduzione dell’ossigeno.
Il principio di funzionamento degli ZAB si basa sulle reazioni dell’ossigeno:
- la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER) durante la carica;
- la reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR) durante la scarica sull’elettrodo ad aria.
Negli ultimi quattro decenni, le analisi dei meccanismi di reazione sono aumentate esponenzialmente. Ciò poiché legate al più vasto ambito della ricerca di fonti energetiche alternative ai combustibili fossili e allo sfruttamento di risorse energetiche rinnovabili.
L’OER è la semireazione chiave nella reazione di scissione dell’acqua. Questa avviene all’anodo e determina un processo di trasferimento di quattro elettroni che richiede un sovrapotenziale di parecchio superiore rispetto a HER. È nota per essere il principale ostacolo al miglioramento dell’efficienza complessiva dell’acqua. Di conseguenza, vanno cercati catalizzatori altamente efficienti, affinché la limitazione cinetica venga ridotta con efficacia.
Per quanto riguarda l’ORR, essa è la reazione contraddistinta da una cinetica particolarmente lenta da limitare quella della reazione complessiva. Purtroppo, gli ZAB continuano ad accusare una cinetica OER/ORR lenta per i loro elettrodi ad aria, determinando un ampio intervallo di tensione durante il ciclo di carica-scarica, causa di una bassa efficienza di andata e ritorno.
Per migliorarla è fondamentale sviluppare elettrocatalizzatori idonei a mostrare un’eccellente bifunzionalità (elevata attività catalitica sia per ORR che per OER) e durata. La sfida sta nel fatto che ORR e OER accadono in siti attivi e percorsi di reazione diversi. Al contrario, lo sviluppo di certi elettrocatalizzatori compositi con siti attivi separati è una strategia molto più efficiente verso il miglioramento delle performance degli ZAB.
Gli idrossidi doppi a strato (Layered Double Hydroxides, LHD), dei materiali lamellari ionici 2D appartenenti al gruppo delle argille anioniche, hanno il potenziale per risolvere parecchi disagi, data la versatilità chimica, la flessibilità strutturale e la bassa tossicità. Partendo da qui, sono stati esaminati vari LDH basati su metalli argentei come potenziali catalizzatori OER e/o ORR.
Ad aver convinto sono stati soprattutto i NiFe-LDH (dove NiFe sta per nichel e ferro), degli eccellenti elettrocatalizzatori. Per migliorarne ulteriormente le performance OER, si è reso necessario modulare la struttura elettronica. Difatti, la bassa conduttività elettronica degli LDH rappresenta il principale ostacolo nell’applicazione ai dispositivi energetici. L’introduzione di un terzo elemento metallico con elevata valenza, ad esempio il cobalto, potrebbe promuovere efficacemente il trasporto degli elettroni, conducendo quindi al progresso dell’attività elettrocatalitica, surclassando gli LDH monometallici o bimetallici.
La strategia di sintesi unica e semplice – conclude lo studio – apre la strada alla progettazione di elettrocatalizzatori bifunzionali, sfruttando l’ingegneria dell’elettrostruttura per varie applicazioni di catalisi. L’elaborato è stato frutto di un’intensa attività di studio da parte di un ente universitario indipendente, ma numerosi player dell’industria stanno definendo una strada per abbattere le spese inerenti alla mobilità a zero emissioni.
Da Stellantis a Toyota, fino a General Motors, l’obiettivo comune è di rendere la mobilità elettrica meno dispendiosa. Qualora i costi di produzione diminuissero, allora gli stessi acquirenti ne trarrebbero beneficio. E allora si creerebbero gli estremi affinché le bev smettano di costituire solo un bene di lusso, alla portata solo di una parte della popolazione.
