Nuovi materiali per batterie sostenibili a basso costo

Per la svolta energetica sono necessarie tecnologie per immagazzinare temporaneamente l'elettricità da fonti rinnovabili a basso costo. Le batterie all'alluminio sono una nuova opzione promettente. Sono realizzate con materie prime economiche e abbondanti (vedi riquadro).

Anche gli scienziati dell'ETH di Zurigo e dell'Empa, guidati da Maksym Kovalenko, professore di materiali funzionali inorganici, sono coinvolti nella ricerca e nello sviluppo di tali batterie. Questi ricercatori hanno ora trovato due nuovi materiali che potrebbero far progredire in modo significativo lo sviluppo delle batterie all'alluminio. Uno è un materiale resistente alla corrosione per le parti conduttive della batteria e l'altro è un nuovo tipo di materiale per il suo terminale positivo che può essere adattato a un'ampia gamma di requisiti tecnici.

Liquido elettrolitico aggressivo

Poiché il fluido elettrolitico delle batterie all'alluminio è estremamente aggressivo e attacca, ad esempio, l'acciaio inossidabile (così come l'oro e il platino), gli scienziati sono alla ricerca di materiali resistenti alla corrosione per le parti conduttrici di tali batterie. Il professor Kovalenko dell'ETH e i suoi colleghi hanno trovato ciò che cercavano nel nitruro di titanio, un materiale ceramico con una conduttività sufficientemente elevata. "Questo composto è costituito da elementi molto comuni come il titanio e l'azoto ed è facile da produrre", spiega Kovalenko.

Gli scienziati hanno prodotto con successo in laboratorio batterie di alluminio con parti conduttive in nitruro di titanio. Il materiale può essere utilizzato anche per produrre film sottili ed è adatto al rivestimento di altri materiali. Secondo Kovalenko, sarebbe quindi possibile produrre i conduttori a partire da un metallo convenzionale e rivestirli con il nitruro di titanio o addirittura stampare le tracce conduttrici di nitruro di titanio sulla plastica. "Le possibili applicazioni del nitruro di titanio non si limitano alle batterie all'alluminio. Il materiale potrebbe essere utilizzato anche in altri tipi di batterie, come quelle a base di magnesio o sodio, o nelle batterie agli ioni di litio ad alta tensione", spiega Kovalenko.

Alternativa alla grafite

I ricercatori hanno utilizzato il secondo nuovo materiale per l'elettrodo positivo (polo positivo) delle batterie all'alluminio. Mentre l'elettrodo negativo (polo negativo) di queste batterie è fatto di alluminio, l'elettrodo positivo è solitamente fatto di grafite. Kovalenko e il suo team hanno ora trovato un nuovo materiale che può essere utilizzato per immagazzinare in una batteria la stessa energia della grafite. Si tratta del polipirene, un idrocarburo con una struttura molecolare a catena. In particolare, i campioni di materiale in cui le catene molecolari erano disposte in modo disordinato si sono rivelati ideali per gli esperimenti. "C'è molto spazio tra le catene molecolari. Gli ioni relativamente grandi del liquido elettrolitico possono quindi penetrare facilmente nel materiale dell'elettrodo e caricarlo", spiega Kovalenko.

Uno dei vantaggi degli elettrodi contenenti polipirene è che gli scienziati possono influenzarne le proprietà, come la porosità. Ciò consente di ottimizzare il materiale per le rispettive applicazioni. "La grafite utilizzata finora, invece, è un minerale. Non può essere modificata dall'ingegneria", afferma Kovalenko.

Secondo i ricercatori, sia il nitruro di titanio che il poliprene sono materiali flessibili e quindi adatti all'uso nelle cosiddette celle a sacchetto (batterie racchiuse in una pellicola flessibile).