Nuove tecnologie per le batterie del futuro

L'impiego delle batterie sta crescendo sempre più in tutto il mondo. Quotidianamente utilizziamo diversi dispositivi elettronici alimentati con batterie, siano esse di tipo ricaricabile o meno: telefoni cellulari e smartphone, lettori multimediali portatili, consolle per videogame portatili, giocattoli elettronici (per bambini e non), e così via. Vediamo insieme quali potrebbero essere le tecnologie impiegate per realizzare le batterie del futuro.

Tutto ciò, ovviamente, comporta l'insorgenza di un problema serio, relativo allo smaltimento delle batterie obsolete od esauste (le quali, ad oggi, contengono materiali per lo più tossici). Occorre intraprendere due azioni fondamentali al fine di ridurre il più possibile la dipendenza dalle batterie: la prima consiste nel cercare di minimizzare l'assorbimento di potenza degli attuali dispositivi elettronici (questa attività è a carico principalmente degli ingegneri elettronici), mentre la seconda si realizza progettando e fabbricando batterie con una maggiore durata, e/o più economiche, e/o che possano essere smaltite più facilmente (questa attività è invece svolta dai ricercatori). In questo articolo ci soffermeremo sul secondo punto, esaminando alcune recenti scoperte ottenute da differenti progetti di ricerca.

Batterie realizzate con nanotubi, inchiostro, e carta

Yi Cui, un ricercatore della Stanford University, è stato in grado di realizzare una batteria (o, più precisamente, un "supercapacitor") semplicemente immergendo un normale pezzo di carta in una soluzione composta da inchiostro mescolato con nanotubi di carbonio e nanowire di argento (i "nanowire" sono strutture mono-dimensionali a forma di filo con diametri dell'ordine di qualche nanometro): provate a stropicciare la carta e ... la batteria continua indisturbata a funzionare! Yi Cui è Assistant Professor di Materials Science ed Engineering a Stanford, e possiede un'enorme esperienza sui nanomateriali e sulle loro applicazioni.

Le "batterie di carta" costituiscono un nuovo ed inusuale mezzo per immagazzinare l'energia elettrica, e questo tipo di carta con elevate proprietà conduttive potrebbe rappresentare un'importante sfida per realizzare dispositivi in grado di mantenere e fornire energia elettrica (ed è anche abbastanza semplice da produrre, anche se la soluzione di cui è impregnata oggi ha un costo ancora elevato). I "supercapacitor" sono del tutto simili alle batterie, con la differenza che sono in grado di mantenere l'energia elettrica per una minore quantità di tempo; analogamente, hanno il vantaggio di poter essere caricati in un tempo inferiore rispetto alle batterie tradizionali. La scoperta fatta da Cui è descritta nella sua relazione "Highly conductive paper for energy-storage devices" che può essere trovata sul web qui.

I nanomateriali usati da Cui sono caratterizzati da una struttura mono-dimensionale molto ridotta (guardate anche questo post Transistor al grafene: il transistor più veloce al mondo su un'applicazione del grafene); essendo dotati di un diametro molto piccolo, essi possono essere facilmente immersi ed aderire alle fibre di cui è composta la carta, realizzando così una struttura molto solida e durevole. Cui ha stimato che questo tipo di batteria può raggiungere 40000 cicli di carica e scarica, il che è almeno 10 volte superiore a quello delle normali batterie al litio. Inoltre, in un nanomateriale gli elettroni sono in grado di muoversi molto velocemente e rappresentano perciò la soluzione ideale per costruire materiali conduttivi. In una sua precedente ricerca, Cui utilizzò della plastica al posto della carta, ma la soluzione attuale risulta essere migliore e più promettente: la carta, infatti, può essere stropicciata, piegata, e persino immersa in una soluzione acida o basica, e la batteria continua a funzionare. Un'ulteriore vantaggio della carta è che è flessibile e può essere facilmente adattata alla forma desiderata; può essere arrotolata, piegata o tagliata, e continuerà a funzionare.

Questo tipo di batteria (o "supercapacitor") si presta ad essere impiegata nelle auto elettriche o ibride, nelle quali l'utilizzo combinato di materiali leggeri con sorgenti di energia efficienti e rapide è d'obbligo.

Questa tecnologia ha un enorme potenziale e, secondo l'opinione di Cui, potrebbe anche essere utilizzata per realizzare dispositivi in grado di immagazzinare l'energia elettrica prodotta da altre fonti: ad esempio, l'energia elettrica prodotta dagli impianti eolici e fotovoltaici potrebbe in futuro servire per caricare queste "batterie di carta". Guardate questo video relativo ad una sorprendente applicazione della batteria di carta che riesce ad accendere un led:

Ovviamente l'energia prodotta da un singolo foglio di carta trattata è modesta, ma questa può essere facilmente aumentata sovrapponendo tra loro diversi fogli di carta e/o arrotolando i fogli stessi.

Un'altra possibile applicazione di questo tipo di batteria è come fonte di energia per alimentare dispositivi elettronici bio-medicali: poichè infatti essa si basa su componenti "naturali" come la carta ed i nanotubi di carbonio, potrebbe essere impiegata anche all'interno del corpo umano.

Batterie realizzate con i virus

Un gruppo di ricercatori dell'MIT, guidato dalla Professoressa Angela Belcher (Germeshausen Professor di Materials Science, Engineering, e Biological Engineering), sono stati in grado di creare una batteria utilizzando dei virus. Secondo Angela Belcher, questa soluzione potrebbe fornire una potenza sufficiente per essere impiegata come batteria principale in un'autovettura. Il virus utilizzato, un comune batteriofago in grado di infettare i batteri ma innocuo per gli esseri umani (ed inoltre non tossico), viene modificato geneticamente ed usato per realizzare gli elettrodi caricati sia positivamente che negativamente di una batteria agli ioni di litio. Nei test eseguiti in laboratorio, questo tipo di batteria è stata caricata e scaricata almeno 100 volte senza perdere la propria funzionalità; siprevede comunque che questo valore, attualmente inferiore rispetto a quello delle comuni batterie agli ioni di litio oggi disponibili, possa essere aumentato in futuro. Osservate questo video sulle batterie fatte con i virus, in cui compare la stessa Professoressa Angela Belcher:

Mini batterie "nucleari"

Un gruppo di ricercatori dell'Università del Missouri condotto dal Professore Jae Kwon ha realizzato una batteria nucleare di dimensioni minuscole, progettata per alimentare i dispositivi realizzati in tecnologia MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Come sappiamo, la tecnologia MEMS è ampiamente utilizzata in numerose applicazioni di ogni giorno, come ad esempio: sistemi air-bag, smartphone (rilevamento dei movimenti e dell'orientamento), fotocamere digitali (stabilizzazione dell'immagine), stampanti a getto d'inchiostro, consolle per videogiochi, e così via. Alimentare i sistemi MEMS diventa un problema quando la fonte di energia è troppo grande e pesante rispetto alle dimensioni e al peso reali del dispositivo MEMS. L'biettivo, perciò, è quello di trovare una fonte di energia che possa durare a lungo, che sia leggera e di dimensioni ridotte, e fornisca la quantità di energia necessaria al sistema: in altre parole, è richiesta una fonte di energia caratterizzata da una "densità" di potenza estremamente elevata. Una batteria realizzata con un componente nucleare come un radioisotopo ha una densità di potenza 6 ordini di grandezza superiore a quella delle batterie convenzionali. Le batterie nucleari sono già state impiegate in passato in alcune applicazioni di "nicchia" (come ad esempio nei progetti militari e nelle missioni aerospaziali), ma esse non erano così piccole come quella realizzata dal Professor Kwon (si osservi come esempio l'immagine seguente):

Questo tipo di batteria non è ancora pronta per entrare in produzione: attualmente si trova puramente allo stadio di ricerca, e molto lavoro deve essere ancora fatto prima che sia pronta per impieghi industriali. Una cosa interessante da notare è che essa utilizza un semiconduttore liquido anziché solido: si tratta dell'isotopo 35 dello zolfo, ma i ricercatori hanno pianificato di provare anche altri materiali in futuro, allo scopo di ridurre ulteriormente lo spessore delle batterie ed aumentare, se possibile, la potenza resa disponibile da esse.

Leggi anche: la batteria che si ricarica in 30 secondi

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7 Commenti

  1. Antonello Antonello 29 dicembre 2014
    • Newton 30 dicembre 2014
  2. dantave danilotaverna 20 gennaio 2015
  3. Domenico Domenico 20 gennaio 2015
  4. dantave dantave 20 gennaio 2015
    • ddbbmax 1 marzo 2015
      • ddbbmax 1 marzo 2015

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