Roma, 01/03/2024
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Materiali organici al posto del cobalto: ecco una batteria per auto elettriche efficace e che costa meno

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I ricercatori del MIT hanno messo a punto batterie per auto elettriche con materiali organici al posto del costoso ed impattante cobalto. In questo modo si ottiene una alternativa più ecologica, ugualmente efficace e con costi che potrebbero essere persino dimezzati

Se è vero che il futuro della mobilità è destinato ad essere elettrico, è anche vero che un ruolo cruciale lo svolgeranno le batterie. Oltre a rappresentare l’anima energetica delle vetture, esse pesano per larga parte del prezzo finale dell’auto. Ciò spiega la necessità di procedere con la ricerca per innovare celle ed accumulatori, in modo da potersi basare su materie prime a costi accettabili, così come i processi di produzione che possano essere più innovativi di quelli attuali. E renderle anche sostenibili a livello ambientale.

Il cobalto, una risorsa ed un problema per le batterie delle auto elettriche

A tal proposito, metalli come il cobalto sono essenziali per le batterie agli ioni di litio, ma sono anche onerosi in termini di estrazione e lavorazione, sia dal punto di vista ambientale che economico. Oltre a presentare sullo sfondo delle questioni etiche riguardo lo sfruttamento della forza lavoro impiegata nelle miniere (uno dei principali giacimenti si trova nella Repubblica Democratica del Congo). Eppure nel 2022 i prezzi hanno subito un calo, mentre alternative come le batterie litio-ferro-fosfato hanno iniziato a diffondersi sempre di più. Colossi del settore come la cinese CATL e marchi automobilistici come Tesla stanno infatti puntando sulle LFP in luogo degli accumulatori a base di cobalto.

Il MIT sviluppa una batteria a base di materiali organici

E intanto si battono ulteriori strade. Ricercatori del MIT hanno messo a punto una batteria con al proprio interno un catodo basato su materiali organici, decisamente meno impattanti rispetto al cobalto o altri metalli come il nichel.

Lo studio ha dimostrato come questa alternativa abbatterebbe i costi di produzione. Ma non solo: i materiali organici introdotti dai ricercatori presentano la medesima velocità conduttiva di elementi come il cobalto. E infine, migliorano i tempi di ricarica e le capacità di stoccaggio sono simili alle batterie tradizionali.

Il cobalto usato nei catodi (elettrodi caricati positivamente, a differenza degli anodi la cui carica è invece negativa) degli accumulatori agli ioni di litio consente una grande stabilità e densità energetica. Ma ha un prezzo volatile come abbiamo visto, oltre a comportare gli svantaggi citati in apertura.

I materiali organici ad oggi non avevano presentato la stessa conduttività, durata e capacità di stoccaggio, almeno la maggior parte di essi. Tra l’altro, come informa l’articolo del MIT relativo alla ricerca, materiali di questo genere devono essere miscelati con polimeri in qualità di leganti, per via proprio della loro bassa conduttività. In questo modo viene mantenuta una proprietà conduttiva, ma al prezzo di ridurre la capacità di accumulo dell’energia.

Il progetto del MIT finanziato da Lamborghini

Circa sei anni fa si è iniziato a lavorare su una svolta. Nel laboratorio del MIT dove opera il professore di energia Mircea Dincă, che occupa una cattedra W.M. Keck nel Dipartimento di Chimica, è stato mandato avanti infatti un progetto finanziato da Lamborghini per lo sviluppo di un batterie per auto elettriche basata su materiale organico. Da qui la scoperta di un materiale specifico da parte di Dincă e dei suoi studenti.

Esso è costituito da una molecola organica a tre anelli esagonali chiamata TAQ bis-tetra ammino benzochinone, che in buona sostanza crea “una struttura simile alla grafite” (altro elemento essenziale delle batterie). Queste molecole presentano poi i chinoni, composti organici che contengono elettroni e che contribuiscono a creare dei legami idrogeno forti, rendendo quindi il materiale molto stabile. Inoltre esso diventa anche parecchio insolubile, inibendo perciò la possibilità al materiale stesso “di dissolversi nell’elettrolito della batteria”, a differenza di altri composti organici.

E così la durata stessa della batteria aumenta. Il materiale organico inoltre è stato stabilizzato con materiali di riempimento, ad esempio gomma e cellulosa, in modo da poter migliorare la sua adesione al collettore di corrente in rame o in alluminio della batteria. Il tutto senza occupare spazio e senza influire negativamente sulla capacità di stoccaggio. I materiali di riempimento hanno inoltre un ulteriore vantaggio. Essi impediscono la rottura del catodo quando gli ioni di litio ci fluiscono durante la ricarica, rendendolo quindi più affidabile e longevo.

I vantaggi delle batterie organiche

Il risultato insomma è stato quello di aver sviluppato un materiale che potesse consentire ad una batteria le medesime capacità di accumulo e conduttive di quelle al cobalto. Ciò è stato dimostrato dai test svolto da Dincă e il suo staff, in cui figura tra gli autori dello studio anche il ricercatore presso l’Università di Bologna Alessandro Franceschi. Non solo: le batterie dotate di materiali organico potrebbe rendere più veloci i tempi di ricarica delle vetture elettriche. Il tutto ad un costo per la fabbricazione delle batterie organiche inferiore sino alla metà rispetto a quelle tradizionali. Ciò è dovuto alla larga disponibilità in commercio per i materiali che costituiscono il catodo.

Le batterie organiche potrebbe arrivare a oltre 2.000 cicli di ricarica “con un degrado minimo”

Dincă ha affermato, come riporta l’articolo del MIT: “Penso che questo materiale potrebbe avere un grande impatto perché funziona molto bene. È già competitivo con le tecnologie esistenti e può far risparmiare molti costi e superare difficoltà e problemi ambientali legati all’estrazione dei metalli che attualmente vanno nelle batterie”.

Il professore ha poi aggiunto: “Le batterie al cobalto possono immagazzinare molta energia e hanno tutte le caratteristiche che interessano alle persone in termini di prestazioni. Ma hanno il problema di non essere ampiamente disponibili e il costo oscilla ampiamente con i prezzi delle materie prime. E, man mano che si passa a una percentuale molto più elevata di veicoli elettrificati nel mercato di consumo, diventeranno sicuramente più costose”. Con la batteria organica, invece, oltre ad un abbattimento dei costi “possiamo arrivare a oltre 2.000 cicli di carica con un degrado minimo”.

Il gruppo di lavoro di Dincă sta inoltre studiando la possibilità di utilizzare il più economico e disponibile sodio al posto del litio, oppure il magnesio.

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