Il segreto sta in un gel

Ricaricare il 70% di una batteria auto o di un tablet in 2 minuti: nuovo studio rivoluzionario

[15 Ottobre 2014]

Un team di 4 ricercatori della  School of Materials Science and Engineering della Nanyang Technology University (Ntu) di Singapore ha sviluppato una batteria a ricarica ultra-veloce che può caricarsi fino al 70% in soli due minuti. I risultati del lavoro di 3 anni che ha portato al super.ricaricatore sono pubblicati su Advanced Materials (Nanotubes: Mechanical Force-Driven Growth of Elongated Bending TiO₂-based Nanotubular Materials for Ultrafast Rechargeable Lithium Ion Batteries).

Gli scienziati spiegano in un comunicato che «Le batterie di nuova generazione hanno una lunga durata di vita di oltre 20 anni, più di 10 volte rispetto alle batterie agli ioni di litio esistenti. Questa innovazione ha un impatto ad ampio raggio su tutte le industrie, in particolare per i veicoli elettrici, dove i consumatori sono scoraggiati dai lunghi tempi di ricarica e dalla durata limitata della vita della batteria. Con questa nuova tecnologia della NTU, i conducenti di veicoli elettrici potrebbero risparmiare decine di migliaia di dollari sui costi di sostituzione della batteria e ricaricare le auto potrebbe essere solo una questione di minuti».

Le batterie al litio sono normalmente utilizzate nei  telefoni cellulari, tablet  e elettrici, le batterie al litio ricaricabili di solito hanno una durata di circa 500 cicli di ricarica, equivalenti a  2-3 anni di utilizzo, con ogni ciclo che richiede di circa due ore perché la batteria sia completamente carica. Nella nuova batteria sviluppata dalla  Ntu, la tradizionale grafite usata per l’anodo (polo negativo) nelle batterie agli ioni di litio viene sostituita con un nuovo materiale in gel a base di biossido di titanio e i ricercatori sottolineano che «Il biossido di titanio è un materiale abbondante, economico e sicuro che si trova nel suolo. È comunemente usato come additivo alimentare o nelle creme solari per assorbire i raggi ultravioletti nocivi. Naturalmente si trovain forma sferica, ma il team Ntu ha trovato un modo per trasformare il biossido di titanio in minuscoli nanotubi, che sono mille volte più sottili del diametro di un capello umano. Questo accelera le reazioni chimiche che si svolgono nella nuova batteria, consentendo la ricarica superveloce».

A capo della ricerca su questo rivoluzionario gel c’è il  professore associato Chen Xiaodong ed ora, insieme al suo team ha chiesto una sovvenzione Proof-of-Concept per costruire un prototipo di batteria su larga scala. Con l’aiuto di NTUitive, una consociata interamente controllata dalla NTU istituita per sostenere le start-up dell’università di Singapore, la tecnologia brevettata ha già attirato l’interesse dell’industria ed attualmente è in fase di concessione di licenza ad una company per l’eventuale produzione.

Secondo la società di consulenza Frost & Sullivan, «E’ previsto che il mercato globale delle batterie agli ioni di litio nel 2016 abbia un valore di 23,4 miliardi dollari» e Chen è convinto che «La nuova generazione di batterie a ricarica rapida entreranno nel mercato nei prossimi due anni. Ha  anche il potenziale per essere una soluzione chiave per superare problemi di lunga data dell’alimentazione relativi alla mobilità elettrica. Le auto elettriche saranno in grado di aumentare eccezionalmente il loro range, con soli cinque minuti di carica, che è alla pari con il tempo necessario per rifornire di benzina le auto attuali. Altrettanto importante, ora possiamo ridurre drasticamente i rifiuti tossici generati dalle batterie dismesse, dal momento che le nostre batterie durano dieci volte di più rispetto all’attuale generazione di batterie agli ioni di litio». Infatti i 10.000 cicli di ricarica della nuova batteria significano anche che i conducenti di veicoli elettrici potrebbero risparmiare sul costo di sostituzione della batteria, che potrebbero costare più di 5.000 dollari l’una.

Le batterie al litio di solito usano additivi per legare gli elettrodi all’anodo, che è la cosa che determina la velocità con cui gli elettroni e gli ioni possono trasferirsi dentro e fuori delle batterie. Ma questi nuovi “cross-linked titanium dioxide nanotube-based electrodes” eliminano la necessità di questi additivi e possono stoccare più energia nella stessa quantità di spazio. I ricercatori di Singapore spiegano che «La fabbricazione questo nuovo gel di nanotubi è molto semplice. Il biossido di titanio e idrossido di sodio sono miscelati insieme e mescolati al di sotto di una certa temperatura, così che i produttori di batterie troveranno facile integrare il nuovo gel nei loro attuali processi di produzione.

Il professore della Ntu Rachid Yazami, co-inventore 30 anni fa dell’anodo  litio-grafite anodo che viene usato nelle odierne batterie agli ioni di litio,  ha detto che «l’invenzione del professor Chen è il prossimo grande balzo nella tecnologia delle batterie. Mentre, da quando Sony le ha commercializzate nel 1991, il costo delle batterie agli ioni di litio è stato notevolmente ridotto e le loro prestazioni migliorate, il mercato sta rapidamente espandendosi verso nuove applicazioni  nella mobilità elettrica e nello stoccaggio di energia.

Tuttavia, c’è ancora margine di miglioramento e un’area chiave è la densità di energia –  quanta energia può essere immagazzinata in una certa quantità di spazio – che si riferisce direttamente alla capacità di carica veloce. Idealmente, il tempo di carica per le batterie di veicoli elettrici deve essere inferiore a 15 minuti, cosa che l’anodo nanostrutturato del professor Chen ha dimostrato di fare».