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Quest'anno arriva la batteria del futuro!

«Con questa batteria, il telefono dura una settimana»; «Questa nuova batteria carica il telefono in 15 minuti!»... Suona familiare? Ogni mese si sente parlare di una nuova batteria miracolosa che di lì a poco sarà disponibile sul mercato. D'accordo, è arrivato il momento di fare un reality-check.

All'inizio del 2016, Philipp Rüegg e io abbiamo lanciato la modesta redazione di digitec e Galaxus. Una delle mie prime storie è stata quella del Mobile World Congress (MWC) che si è tenuto a Barcellona. Oggi in redazione siamo in 15 e Dominik Bärlocher è responsabile di tutto ciò che abbia a che fare con gli smartphone. E lo fa molto meglio di me. Ma non è questo il punto. In quell'occasione, MyFC aveva introdotto il JAQ: una cella a combustibile intercambiabile che carica gli smartphone senza presa di corrente grazie a comode cartucce. Fenomenale!

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Eppure, due anni dopo, che ne è stato del JAQ? Molti comunicati stampa (in inglese) ne millantano le proprietà, ma purtroppo la batteria ancora non si trova in commercio nei negozi. Un po' come il Notebook NEC dotato di cella a combustibile, che era già stato presentato come prototipo 15 anni fa.

Le celle a combustibile quindi sono obsolete? Naturalmente no. Anzi, Toyota attualmente punta molto su questa tecnologia. Non è ancora un successo clamoroso, ma ci stanno lavorando. Le celle a combustibile continuano a essere un accumulatore di energia portatile molto promettente.

L'industria automobilistica è un terreno fertile. Tesla e altre aziende del settore continuano ad aumentare la già enorme necessità di accumulatori energetici e soprattutto batterie sempre più efficienti. Così come il fotovoltaico, una tecnologia che viene utilizzata sempre di più ed è disponibile a prezzi sempre più convenienti. Il mondo aspetta la prossima generazione di batterie con il fiato sospeso. Anche tu, vero?

«The Next Big Thing»

Oggi daremo uno sguardo alla teoria di come funziona una batteria, così avrai qualche nozione su cui basarti la prossima volta che sentirai parlare di batterie magiche o miracolose che, in fondo alla pagina e in carattere microscopico, riportano: «disponibile sul mercato tra qualche anno». Infatti non è raro che versioni intermedie di questi modelli e altri materiali «magici» vengano presentati al mondo come «The Next Big Thing» – una vera e propria rivoluzione.

Giusto per fare un esempio...

Fonte:Computerbild

...e la dicitura in piccolo proprio alla fine dell'articolo :

Non sappiamo ancora quando le batterie al grafene saranno prodotte su larga scala e trasformate in un prodotto finale.

In generale, la stampa preferisce dipingere un quadro eccessivamente ottimistico dei risultati della ricerca, perché così le testate possono scriverci dei bei titoli. In realtà, la maggior parte dei concetti viene scartata. Ovviamente questi fallimenti non fanno notizia, anche se sono importanti tanto quanto i successi. Infatti, tutta questa ricerca non viene fatta invano: dopo tutto, è importante capire anche cosa non funziona.

A proposito di ricerca: sviluppare una batteria è un processo molto lungo e laborioso. Ci vogliono almeno dieci anni prima che una batteria passi dal laboratorio al negozio online. Creare una catena di produzione efficiente in sé richiede diversi anni. I produttori dei dispositivi devono adattare i loro prodotti, caricabatterie e processi. Le autorità richiedono controlli di sicurezza dettagliati, e così via. Bosch, il più grande produttore mondiale di dispositivi, alla fine del febbraio 2018 ha deciso di abbandonare la produzione delle proprie celle (in tedesco) perché troppo costose.

Ovviamente, le nuove batterie devono essere migliori delle precedenti, altrimenti dove sarebbe l'incentivo e che senso avrebbe continuare a far ricerca? Idealmente, dovrebbero soddisfare al meglio una serie di requisiti per ogni scopo previsto:

  • Densità energetica gravimetrica (in Wh/kg, quanto pesa la batteria?)
  • Densità energetica volumetrica (in Wh/l, quanto è grande la batteria?)
  • Materiale a basso costo
  • Prestazioni (quanto velocemente viene estratta l'elettricità, o meglio, quanto velocemente si carica la batteria?)
  • Stabilità del ciclo (con quale frequenza può essere caricata e scaricata senza perdita di capacità?)
  • Sicurezza (in che misura i componenti reagiscono con altre sostanze chimiche?)
  • Efficienza energetica (quanta energia si perde durante il processo, ad esempio attraverso il calore?)
  • Variazione volumetrica minima possibile durante la carica e la scarica
  • Tensione il più costante possibile durante il processo di scarica
  • Sostenibilità ambientale (quanto sono tossici i componenti?)
  • Flessibilità (quali forme e dimensioni si adattano meglio alla batteria?)
  • Minimi effetti di inerzia e di memoria
  • Danni di lieve entità in caso di sovraccarico o scarica profonda
  • Bassa autoscarica
  • Resistente a temperature molto alte o molto basse

...basta così? La batteria perfetta deve essere in grado di fare parecchie cose, eh?

A seconda dell'uso previsto, le batterie possono anche avere altre caratteristiche. Al momento, le batterie per auto usano piombo e acido solforico perché sono materiali economici e il fatto che siano piuttosto pesanti non è di grande importanza. La stessa cosa vale per le batterie utilizzate in casa, che servono a immagazzinare energia solare: a nessuno importa che siano ingombranti o meno perché vengono comunque collocate in cantina, perciò costano meno. I dispositivi mobili, tuttavia, richiedono batterie molto compatte e leggere.

E ora viene la parte difficile: ottimizzare una caratteristica quasi sempre avviene a discapito di un'altra. L'esempio di Samsung lo dimostra bene: la batteria con grafene si carica molto rapidamente e ha una capacità molto elevata grazie a questo nuovo materiale straordinario, ma così vengono sacrificate le dimensioni: le sfere di grafene hanno una densità volumetrica molto superiore a quella della grafite convenzionale. (l'articolo che trovi a questo link è stato scritto da uno dei ricercatori di Samsung).

Ricerca di base

Per evitare di farci ingannare dai titoli dei giornali, dobbiamo capire a che punto è realmente la ricerca. E per fare ciò dobbiamo capire come funziona una batteria. Ecco perché oggi studiamo un po' di teoria e facciamo una breve incursione nell'universo dell'elettrochimica. L'idea ti fa sudare freddo? Tranquillo. L'argomento è decisamente complicato, ma qui parleremo solo dell'essenziale.

Il principio del funzionamento di qualsiasi cella o batteria è molto semplice: quando colleghi un oggetto che consuma energia (una lampadina, ad esempio) a una batteria, l'energia chimica immagazzinata viene trasformata in energia elettrica. A differenza dei modelli usa e getta, le batterie ricaricabili possono anche seguire il processo inverso, immagazzinando l'energia elettrica come energia chimica.

Vengono utilizzati diversi metodi e materiali, ma i componenti sono sempre gli stessi: due elettrodi, un elettrolita e un separatore. Quando un oggetto che consuma energia è collegato a una batteria, chiude il circuito elettrico e provoca una reazione chimica che permette agli elettroni di fluire.

Gli elettrodi (poli) sono costituiti da materiali diversi. Uno ha un legame più debole con gli elettroni e rilascia ioni. L'altro assorbe gli elettroni e incorpora gli ioni liberi in una nuova molecola.

  • L'elettrolito è il luogo dove si raccolgono gli ioni liberi (uno ione è semplicemente una molecola carica elettricamente).
  • Il separatore separa gli elettrodi in termini di spazio ed elettricità. Lascia passare solo gli ioni. Nient'altro, nemmeno gli elettroni. Senza un separatore, la batteria andrebbe subito in cortocircuito.

Un elettrodo è chiamato anodo, l'altro catodo. Durante la scarica, l'anodo è il polo negativo, mentre il catodo è il polo positivo. Durante la carica, i poli si invertono. I termini «anodo» e «catodo» sono quindi più precisi di «polo positivo» e «polo negativo». L'anodo richiede una reazione chimica che emette elettroni. Durante il processo, vengono rilasciati gli atomi a carica positiva – i famosi ioni! – che però voglio assolutamente tornare in uno stato neutro. Viaggiano negli elettroliti. Il catodo assorbe molto bene gli elettroni e reagisce in un'altra molecola. Gli ioni vengono attratti dal separatore e reintegrati.

La differenza che questo processo crea dopo la reazione in un'altra molecola è chiamata «potenziale redox» (o «potenziale di riduzione») e viene misurata in volt. Il potenziale di molecole idonee è indicato in serie elettrochimiche. Se dai uno sguardo alla tabella (in tedesco), capirai perché il litio è così interessante.

Quindi: come si produce l'elettricità?

La batteria contiene due coppie di reazioni compatibili tra loro: gli elettroni scorrono dall'anodo al catodo e le reazioni da entrambi i lati devono interagire con gli stessi ioni. L'anodo emette elettroni e rilascia ioni. Questo processo chimico si chiama ossidazione. Il catodo accetta gli elettroni e lega gli ioni in un processo noto come riduzione. In chimica, questi due processi insieme vengono chiamati reazioni di ossidoriduzione (o reazioni redox). Ci sono quindi due (!) coppie di reazioni chimiche che interagiscono come un sistema complessivo: le coppie redox.

Le reazioni chimiche avvengono nella cellula finché entrambi gli elettrodi hanno molecole che liberano elettroni o vogliono assorbirli. Non appena uno degli elettrodi non offre molecole in grado di rilasciare o assorbire e legare elettroni e ioni, il processo si arresta. In altre parole: la batteria si scarica. La cosa fantastica è che la batteria inverte la reazione chimica quando viene riceve elettroni.

Se l'elettricità fosse come l'acqua, la tensione sarebbe la differenza tra i due poli: un punto è molto alto, l'altro molto basso. Pertanto, gli elettroni vogliono «fluire verso il basso», verso l’altro polo. L’intensità della corrente, invece, si determina in base a quanti elettroni scorrono effettivamente e si misura in ampere. Usiamo di nuovo l’analogia con l’acqua: quando ti trovi davanti a un corso d’acqua, è chiaro che si tratta di un ruscello o di un torrente in base alla pressione dell’acqua, a quanto è ripido il pendio (volt) e quanta acqua scorre (ampere). Ciò che risulta da volt × ampere è la potenza in watt. Potenza × unità di tempo (mAh, Wh) = energia.

Questa correlazione è importante. Nel tuo telefono cellulare o notebook, ad esempio, la capacità di solito viene indicata in milliampere/ora (mAh). Considerando la formula di cui sopra, ora sai che mAh non significa molto se non conosci anche la tensione della cella. Esempio: se hai una batteria al nichel-cadmio da 1'000 mAh e una batteria agli ioni di litio da 500 mAh, quale delle due ha più capacità? La batteria NiCd ha una tensione nominale di 1,2 volt. La batteria agli ioni di litio, invece, di 3,6 volt. Per analogia con la formula di cui sopra: wattora = volt x mAh. Il tutto diviso per 1’000, perché stiamo parlando di miliardi di ore. Quindi: la batteria NiCd immagazzina 1,2 wattore di energie, mentre la batteria agli ioni di litio 1,8 wattore!

La tensione varia a seconda del livello di carica: è molto più alta quando la batteria è completamente carica rispetto a quando è quasi scarica. La tensione delle batterie per auto varia da 1,75 volt a 2,4 volt a seconda del livello di carica. La tensione desiderata influisce sulla costruzione della batteria. Se hai un’auto, probabilmente sai che una batteria per auto non ha 2 volt, bensì 12, perché è costituita da 6 celle assemblate in serie. La tensione è di 12 volt. O più precisamente di un valore compreso tra circa 10,5 V e 14,4 V. La tensione cellulare è solo uno dei tanti modi per determinare lo stato di carica.

Una batteria al piombo tagliata a metà: le 6 celle arrivano fino a una tensione totale di circa 12 volt. Immagine: Wikipedia/Ben Cossalter

Le celle possono anche essere collegate in parallelo per aumentare la capacità della batteria. L’immagine qui sopra lo illustra bene: ogni cella è fatta di un «sandwich» di piastre di piombo e di ossido di piombo.

Perché le batterie invecchiano

Come avrai intuito dall’immagine della vecchissima batteria al piombo qui sopra, in cui si sono formati cristalli di PbSO₄ sempre più grandi sugli elettrodi un tempo immacolati, riducendo notevolmente la superficie elettrochimica attiva e diminuendone la capacità, i cicli di carica e scarica non possono essere ripetuti all’infinito.

Fenomeni molto simili si verificano nelle batterie agli ioni di litio, che le danneggiano nel tempo. Durante la carica sull’anodo si forma una pellicola che copre la superficie della grafite, impedendole di interagire con l'elettrolito e gli ioni; la capacità diminuisce. Analogamente, il catodo sulle batterie agli ioni di litio è soggetto a un effetto noto come ossidazione elettrolitica. Ciò tende a verificarsi quando c’è un’alta tensione cellulare, ovvero quando la cella è completamente carica. Le batterie agli ioni di litio si considerano consumate quando rimane solo l'80% della loro capacità originale. A questo punto, la batteria invecchia sempre più rapidamente.

In sintesi, molte reazioni chimiche non avvengono completamente. Soprattutto quando la batteria è del tutto scarica o carica, questi effetti si intensificano in molti tipi di batterie. Anche temperature molto basse o molto alte e una carica o una scarica troppo rapide accelerano questi processi indesiderati. L’efficacia della reazione chimica è nota come efficienza di Coulomb o di Faraday (in inglese).

In laboratorio si cerca di ridurre al minimo questi effetti collaterali utilizzando nuovi materiali o additivi aggiunti agli elettroliti. Questo è anche il motivo per cui l'anodo di molte batterie è ricoperto di grafite. Il litio non è esposto direttamente all’elettrolito e quindi si danneggia molto meno rapidamente.

Dicevamo: densità energetica

Ora sai di cosa si occupa la ricerca sulle batterie. Per ricapitolare, si prefigge di...

  • trovare nuovi materiali per l’anodo e il catodo che offrano una superficie molto più ampia a livello molecolare: maggiore è la superficie, più rapida è la carica/scarica
  • trovare nuovi materiali per anodi e catodi in grado di assorbire ioni e rilasciare più elettroni. Più attivo è il materiale, maggiore è la capacità.
  • trovare nuovi materiali per anodi e catodi che consentano ossidazione e riduzione del 100%. Quanto più complete e prive di residui sono le reazioni, tanto più lunga è la durata della batteria.

Bene, è il momento di arrivare al succo del discorso! Su quali tecnologie si concentra la ricerca sulla batteria e cosa le rende così promettenti?

Densità energetica di varie batterie. Grafico: Sven Mathis

Il grafico è molto semplificato. La densità energetica non può essere illustrata come un rettangolo. Immagina che i punti rappresentino i vari tipi di batterie. Non esiste la batteria NiMH né la batteria agli ioni di litio, ma ce ne sono diversi modelli e versioni, che la ricerca continua a sviluppare per poterli posizionare piuttosto a destra, possibilmente in alto, nella tabella. Le tecnologie in evoluzione, come le batterie al litio e allo zolfo, si trovano in basso a sinistra, mentre l’angolo in alto a destra rappresenta le tecnologie più promettenti. Ho scelto di concentrarmi sui valori stimati nella pratica piuttosto che su quelli massimi teorici.

Il grafico mostra la storia dello sviluppo della batteria:

  • 1859: accumulatore al piombo-acido
  • 1899: batteria al Nichel-cadmio (NiCd)
  • 1980: accumulatore nichel-metallo idruro
  • 1991: batteria gli ioni di litio

Se confrontassimo la densità energetica di queste batterie con quella della benzina e del gasolio, il grafico sarebbe molto diverso: tutte le batterie sarebbero rappresentate in basso a sinistra. La benzina trionfa con 13'000 Wh al litro. Spostiamoci un pixel più a sinistra: la densità energetica della fissione nucleare, milioni di volte superiore, batte tutti gli elementi del quadro.

Approcci promettenti

Batteria agli ioni di litio

La batteria agli ioni di litio è il tipo di accumulatore più utilizzato. Offre vantaggi significativi rispetto ai suoi predecessori. L’effetto memoria è quasi inesistente, rendendo superflue la carica e la scarica complete; un vantaggio inestimabile nella vita di tutti i giorni. Questo tipo di batteria è anche più piccolo, più ecologico e meno costoso. Ha un'autoscarica inferiore rispetto alle batterie NiMH, che perdono il 20% al mese.

Non esiste una singola batteria agli ioni di litio, ma piuttosto una varietà di modelli. Tutti sono caratterizzati da una buona densità energetica, da una bassa autoscarica e dal fatto che le varianti moderne possono resistere a diverse centinaia di cicli di carica. Per quanto riguarda l’utilizzo, sono più che sicure. O, almeno, finché non li schiacci, come ha fatto Samsung con il Note 7: la grafite sul catodo si gonfia quando gli ioni di litio vengono catturati. Se non c'è abbastanza spazio, la batteria esplode e il litio, estremamente reattivo, reagisce con il resto della batteria.

La batteria agli ioni di litio ha anche grandi svantaggi. Non sopporta il calore e si guasta rapidamente quando la temperatura è elevata. Non può essere caricata a temperature inferiori a 0°C e le scariche profonde la distruggono. Ecco perché, se le smonti, scopri un sistema elettronico complesso e anche un sensore di temperatura. L'elettronica contribuisce a garantire che la batteria funzioni entro parametri sicuri e non venga danneggiata. D’altra parte, induce una perdita di carica di circa il 3-5% al mese senza che tu la utilizzi.

Mi raccomando: non smontare batterie o accumulatori, è pericoloso! Dai uno sguardo alla batteria (sostituibile) di questo portatile:

I conduttori marroni corrispondono al sensore di temperatura. Qui è possibile vedere come le singole celle sono collegate in serie e in parallelo. Molte batterie per notebook sono costituite da 18650 celle. Fonte: Wikipedie/Lead holder

Ti ricordi le proprietà della batteria che ho introdotto all’inizio dell'articolo? Proprio per questo motivo le batterie agli ioni di litio sono disponibili in un'ampia gamma di versioni. Alcune sono più sicure, altre più resistenti ai cicli. Gli smartphone sono quasi sempre dotati di cobalto, per la precisione LiCoO₂ (LCO). È il primo tipo sviluppato e le sue prestazioni sono più che raddoppiate dal 1991. Giusto per fare un confronto con le altre varianti comuni:

Dati di riferimento di altre batterie agli ioni di litio. Più alte sono le barre, migliore sarà il valore. Fonti: Boston Consulting Group, batteryuniversity.com. Grafico: Sven Mathis

Batterie ai polimeri di litio

Se hai un veicolo telecomandato, probabilmente conosci le batterie ai polimeri di litio (LiPo). In realtà, dovrebbero chiamarsi «batterie agli ioni-polimeri di litio» perché, da un punto di vista elettrochimico, sono simili ai modelli presentati prima. La differenza sta nell’elettrolito: nelle batterie Li-Io convenzionali è liquido, in quelle ai polimeri è solido. I polimeri sono macromolecole filamentose allineate l’una dietro l'altra, che si trovano anche in natura (ad esempio, i tuoi capelli sono fatti di polimeri). I polimeri vengono anche prodotti artificialmente. Nelle batterie LiPo, i polimeri sono presenti sotto forma di sostanze gelatinose filamentose. Sono conduttivi e assorbono un gran numero di ioni.

L’elettrolito solido ha vantaggi pratici: grazie alla loro stabilità intrinseca, le LiPo possono essere prodotte in varie forme. È necessaria una copertura meno stabile; è sufficiente una pellicola sottile e leggera. Forse sai che le batterie RC sono particolarmente delicate. Se le danneggi o sovraccarichi, si gonfiano e prendono fuoco. Ecco perché i modellisti conservano le loro batterie ai polimeri di litio in sacchetti ignifughi. A nessuno piacciono gli incendi.

Queste batterie sono infiammabili perché sono più densamente energetiche e leggere che sicure. Per garantire la sicurezza necessaria, il caricabatterie è dotato di dispositivi elettronici appositi. In linea di principio, le batterie ai polimeri di litio possono essere prodotte con la stessa sicurezza delle batterie agli ioni di litio. Il Macbook Pro su cui scrivo questo articolo è dotato di una LiPo a sei celle.

Batterie al litio-metallo*

Il litio-metallo è considerato un successore promettente della tecnologia agli ioni di litio. Il litio-metallo attualmente viene già utilizzato, ma non per modelli ricaricabili. Ad esempio, nelle pile al litio rotonde. Le batterie al litio-metallo promettono il doppio della densità energetica delle batterie agli ioni di litio e un'autoscarica bassa perché, in assenza di uno strato di grafite, il litio è direttamente esposto all’elettrolito. La superficie chimicamente attiva è quindi molto ampia, il che aumenta la capacità e riduce il tempo di ricarica. Queste batterie sono anche più compatte in quanto non contengono grafite.

Le batterie ricaricabili al litio-metallo non sono pronte per essere introdotte sul mercato. Infatti, i metalli direttamente esposti formano i cosiddetti dendriti a ogni nuovo ciclo. Si tratta di depositi che formano una stalagmite nell'elettrolita e possono anche forare il separatore, causando un cortocircuito. I ricercatori non sono ancora riusciti a evitare o a rallentarne la formazione in misura adeguata.

Batterie a stato solito

Attualmente si parla molto delle batterie a stato solido. In realtà, sono solo un elemento utilizzato nella produzione di batterie litio-metallo. Il concetto è che l’elettrolito non è liquido, ma è costituito da un materiale poroso o cristallino che impedisce la formazione di dendrite. Può anche essere più sottile del «sandwich» di elettrolita liquido + separatore + elettrolita liquido. Consente anche di realizzare progetti molto più flessibili, ad esempio pellicole sottili. Le batterie a stato solido tendono ad avere una durata maggiore. Sono anche più sicure, perché l’elettrolito non può fuoriuscire.

Ormai hai capito come funziona: per essere così durevoli e sicure, a quali caratteristiche devono rinunciare? Ottima domanda. Risposta: alle prestazioni. Le batterie a stato solido che abbiamo visto finora conducono gli ioni con meno efficienza rispetto alle batterie liquide. Ciò significa che la carica tende a durare più a lungo e che durante la scarica possono essere assorbite meno correnti elevate. I modelli moderni sono anche meno resistenti alle basse temperature. I prototipi attuali possono resistere solo a poche centinaia di cicli e, per finire, gli elettroliti solidi di oggi sono estremamente costosi. Una batteria per auto con elettrolito solido costerebbe decine di migliaia di franchi.

Batterie al litio-zolfo

La batteria al litio-zolfo è considerata un possibile successore ad alto potenziale. I ricercatori ci stanno lavorando (e perfezionando) dagli anni ’60. La sua densità energetica è circa tre volte superiore a quella delle batterie agli ioni di litio. Litio e zolfo sono leggeri. La reazione chimica avviene anche a basse temperature: può essere caricata fino a -60°C. La batteria è ecologicamente sostenibile e lo zolfo si trova in abbondanza.

Come nelle batterie al litio-metallo, l’anodo non è ricoperto di grafite, il che lo rende più leggero e compatto. L'ossido di metallo del catodo è sostituito dallo zolfo, più economico e leggero. La reazione chimica è efficace perché due ioni di litio possono legarsi a ciascuna molecola.

La densità energetica e la potenza ottengono già valori molto elevati in laboratorio. Tuttavia, i prototipi ottimizzati fino ad ora purtroppo si guastano piuttosto rapidamente: riescono a completare solo poche decine di cicli. Negli ultimi cinque anni, i ricercatori hanno aumentato i cicli a oltre 4’000, sacrificando la potenza e la densità energetica.

Batterie al litio-aria*

La batteria al litio-aria è oggetto della ricerca sin dagli anni ’70. Un po’ il santo graal della ricerca sulle batterie, per così dire. E questo per due ragioni: in primo luogo permettono di risparmiare molto spazio, perché uno dei componenti reattivi (O₂) proviene dall’ambiente e quindi non deve essere inserito nella batteria. In secondo luogo, la batteria al litio-aria ha una densità energetica teorica di ben 13 kWh al chilo, la stessa della benzina. In pratica, dovrebbe raggiungere circa 2'800 Wh/kg. Poiché il motore a combustione ha una bassa efficienza, pari al 30%, una batteria al litio (efficiente al 90%) sarebbe rivoluzionaria in un’auto elettrica.

Se vogliamo vedere queste batterie in commercio, probabilmente dovremo essere pazienti. Molti ricercatori dubitano persino che potranno mai essere immesse sul mercato di massa a causa dei loro numerosi problemi.

Batterie agli ioni di sodio

Nelle batterie agli ioni di sodio, il litio è sostituito dal sodio. La densità energetica è piuttosto bassa e si aggira intorno ai 90 Wh/kg. Batterie di questo tipo sarebbero pertanto molto pesanti e ingombranti. Tuttavia, possono essere utilizzate in situazioni in cui peso e spazio non rappresentano un problema. Infatti, il sodio è disponibile in quantità quasi illimitata e quindi si trova molto a buon mercato e inoltre è più sicuro rispetto al litio. Un altro aspetto positivo è che la reazione chimica resiste alle scariche complete.

Ulteriori sviluppi con il grafene

Grafene. (Fonte: Wikipedia/AlexanderAlUS)

Finora, la grafite è stata utilizzata sugli elettrodi delle batterie Li-Io. Si tratta di una forma di carbonio puro, come il diamante, ma con una struttura atomica diversa. Lo stesso vale per il grafene, la cui struttura bidimensionale ricorda una struttura a nido d’ape. Il grafene: un sogno. Ha proprietà davvero sorprendenti: è 125 volte più resistente dell’acciaio, più duro del diamante, può essere arrotolato, è trasparente, impermeabile ai liquidi ed estremamente conduttivo.

Quest'ultima proprietà lo rende interessante per le batterie. La stabilità del grafene aumenta significativamente la durata dell'anodo che copre. Come materiale catodico, grazie all’ampia superficie ridurrebbe drasticamente il tempo di carica e aumenterebbe notevolmente la capacità della batteria.

In teoria, il grafene potrebbe aiutare a creare le batterie del futuro. In teoria, appunto (in tedesco). Il suo potenziale senza pari è proporzionale alle sue proprietà mirabolanti. Il problema è che il grafene è difficile da produrre in forma pura e in grandi quantità. Probabilmente ci vorranno altri dieci anni prima che potrà essere utilizzato nelle batterie.

Celle a combustibile

Le celle a combustibile sono disponibili in un'ampia gamma di versioni. Lavorano con composti alcolici, soluzioni di glucosio o idrogeno compresso. A differenza di un motore a combustione, questi elementi convertono l'energia chimica direttamente in energia elettrica utilizzando un agente ossidante. In questo senso, il termine «cella a combustibile» è un po’ fuorviante.

La cella a combustibile a idrogeno/ossigeno è la variante più comune. Ha il vantaggio di poter estrarre dall'ambiente uno dei componenti reattivi essenziali, l'agente ossidante (ossigeno). Il prodotto della reazione chimica è l’H₂O. Il «gas di scarico» quindi è l’acqua, cosa che non può essere altro che positiva per l’ambiente. A livello locale, le celle a combustibile potrebbero avere un effetto di pulizia miracoloso e risolvere completamente i problemi dei gas di scarico nelle città.

A livello globale, tuttavia, la sua produzione non è ecologicamente sostenibile: l’intero processo di produzione, dalla fabbricazione dell’ossidrogeno o del metanolo alla trasformazione in energia elettrica, è tutto meno che efficiente. L'efficienza dell'intera catena, dalla produzione alla lavorazione, è di circa il 60%. Nelle regioni in cui le energie rinnovabili sono abbondanti, questo svantaggio ha meno peso.

La cella a combustibile attualmente si trova in commercio. Il prossimo passo è quello di miniaturizzarla, ma per ora non ci sono le infrastrutture necessarie. E più vengono sviluppate le nuove tecnologie, più l’inefficienza della cella a combustibile la fa sembrare meno allettante.

Conclusione

Ops. L’articolo è venuto un po’ più lungo del previsto. Bene, almeno ora sai come funziona una batteria e quali miglioramenti puoi aspettarti in questo settore. Si tratta di un argomento interessante e alcune delle tecnologia di cui abbiamo parlato sembrano abbastanza promettenti. Chissà, forse una nuova start-up cambierà completamente il settore delle batterie. La cosa più importante è che ora hai le conoscenze di base per poter valutare le novità in questo mondo. Se vuoi approfondire ulteriormente il discorso, fai un giro batteryuniversity.com.

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Aurel Stevens, Zurigo

  • Chief Editor
Sono il guru del team dei redattori. Scribacchino 5 giorni su 7 e papà 24 ore su 24. Mi interesso di tecnologia, computer e HiFi. Mi sposto sempre in bicicletta, in qualsiasi condizione meteo e, solitamente, sono di buon umore.

55 Commenti

3000 / 3000 caratteri

User muraschal

Läck Bobby
Eure Artikel werden immer fundierter - Kompliment!

Vorschlag: Vermerkt im Head ungefähre Lesezeit.
Das würde mir persönlich bei der Entscheidung "jetzt oder später lesen" helfen.

07.03.2018
User Aurel Stevens

Merci! Wie erwähnt, das Ding ist etwas ausser Kontrolle geraten. Es packt mich dann einfach.

Nächstes Mal mach ich eine Warnung für lange Lesezeit, versprochen. Setz doch in der Zwischenzeit einen Bookmark auf Facebook ;)

07.03.2018
User sapre

Da kann ich mich nur anschliessen. Weiter so!!

08.03.2018
Rispondi
User 7m758i7463b7643634n

Ein wirklich gut gelungener und recherchierter Artikel! *Lob*

07.03.2018
User duker

Kennst du deinen Username auswendig?

11.07.2018
Rispondi
User tschohel

Ich liebe Tabellen, Diagramme und Grafiken, schön in einen Artikel eingebunden. So macht es richtig Lust, einen Artikel zu lesen. Wirklich gute Arbeit!

07.03.2018
User Anonymous

W (Watt) gibt die Leistung an, und nicht die Energie. Energie wäre Ws (Wattsekunden) ;)
Aber abgesehen von diesem Schönheitsfehler ein toller Artikel. Daumen hoch!

07.03.2018
User Aurel Stevens

Danke. Geflickt.

07.03.2018
User Ajeje

Schliesse mich an: Sehr informativer Artikel.
Muss aber auch noch ein Häärchen spalten ;-)
Energie ist Leistung *mal* Zeit (Produkt), nicht pro Zeiteinheit (Quotient), und mAh (Strom mal Zeit) ist Ladung, nicht Energie.
Das bedeutet auch, dass der NiCd Akku im Beispiel tatsächlich auch mehr Kapazität hat (da die Kapazität die speicherbare Ladungsmenge angibt), während der Li-Ion mehr Energie speichert.

09.03.2018
User Anonymous

Stimmt! Ich mag Härchenspaltereien :)

09.03.2018
Rispondi
User lendrit

Toller artikel. King

07.03.2018
User Meteora123

Toller Artikel. Bravo!

07.03.2018
User martidiriy12

Gratulation. So informativ und gut geschrieben wurde mir das Thema noch nie nähergebracht. Den Link dazu habe ich gleich im Bekanntenkreis verteilt. Macht weiter so.

08.03.2018
User phaupt

Wow!
Ein richtig gelungener, informativer und sehr gut recherchierter Artikel.
Sowas liest man wirklich sehr, sehr gerne! Weiter so!

07.03.2018
User stefan.heiniger

toller artikel!

07.03.2018
User ListigerLurch

Sehr informativer und gut recherchierter Artikel. Weiter so!

08.03.2018
User Ghostking

Poa Cooler Artikel!
Weiter so!

07.03.2018
User JiSiN

@Aurel Stevens
Wirklich sehr interessant, well done!

08.03.2018
User Anonymous

Sehr interessanter Artikel!

08.03.2018
User garrybac

Ist Nanflowcell (nanoflowcell.com) nur Marketing oder ist da doch mehr dran?
Die Flusszellentechnologie ist ja nicht neu und wird im Grossformat eingesetzt...

08.03.2018
User Aurel Stevens

Die Redox-Flow-Battery ist auf jeden Fall interessant! Habe angesichts der recht geringen Energiedichte gewisse Fragezeichen, wieso man das in einem Auto einbauen sollte... ich hätte die Technologie genau wie du als grossen stationären Speicher vermutet, wo es mit Wasserkraftwerk, Sand-Energie-Werk oder Druckluftspeicher etc. konkurriert.

08.03.2018
User alex.schuetz

Flusszellen tech habe ich auch aus intresse verfolgt. Jedoch ist es in den letzten 2 Jahren ruhig geworden um die zürcher Firma. Ich weis nicht ob diese Technologie schlussendlich am Vertrieb scheitert. Bin gespannt ob da sich noch was tuht.

11.03.2018
User timetobuy

Wollte gerade auch auf nanoflowcell ansprechen, a) ich habe die Autos live fahren sehen (ohne extra - gimmicks), die Technologie scheint also zu funktionieren und b) laut den Inhabern des Unternehmens besteht die Herausforderung an sich im Marktgang. Mehr weiss ich auch nicht, aber man kann hoffen.
PS: Artikel top!

14.03.2018
Rispondi
User marct756

„Leistung pro Zeiteinheit (mAh, Wh) ist Energie.„

Kleiner Tippfehler: Leistung mal Zeiteinheit ist Energie.

Ansonsten, guter Artikel!

08.03.2018
User Aurel Stevens

digitec.ch/thx

09.03.2018
Rispondi
User mario

Leistungsstarke Akkus sind eine tolle Sache, aber wir sehen derzeit auch, dass großer Energieinhalt auch ein Sicherheitsrisiko darstellt. Hersteller und Anwender werden die Akkus in Zukunft mit immer mehr "Respekt" behandeln müssen.

27.03.2018
User seeleopard

Wirklich ein sehr gut erklärter Bericht. Auch für einen Laien verständlich dargelegt. So etwas hätte ich mir zu meiner Schulzeit im Physik-Chemie Unterricht zum Thema Batterie und Energie gewünscht. Dann wäre ich interessierter daran gegangen und hätte sicher auch bessere Noten erzielt. Bitte weiter so und vielen Dank - seeleopard

17.03.2018
User jaceneliot

Un long et assez bon article, mais pas un mot sur le critère essentiel : il faut absolument que les prochaines batterie utilisent un matériau qu'on a en abondance, et de manière écologique et responsable. Par exemple sans tuer 6 millions d'africains à cause des mines.

23.03.2018
User dearheart

For several years I have avoided getting battery powered devices. But it gets harder and harder to avoid. I just hope that there will come a better battery technology soon. No only the many mobile phones, but all the cars of the future, etc - is a huge issue for the environment.

04.04.2018
User markus68

Super Artikel!!!

12.04.2018
User Plasma977

Articolo fantastico, complimenti!

19.04.2018
User Anonymous

Nur durchgescrollt, sieht aber gut aus. Die Energiedichte kann mit bestehenden Technologien nicht mehr gross gesteigert werden. Das ist kein Geheimnis. Gegenteilige Marketingbehauptungen sind Unsinn.

08.03.2018
User Anonymous

Bei der möglichen Stomentnahme pro Zeit hat sich aber vor ein paar Jahren was getan. (Altair Nanosave - in Verwendung bei Tesla.) Aber auch da gibt es physikalische Grenzen. Aus diesen Gründen werden die Akkus in kleineren und leichteren Telefonen wieder kleiner. (siehe mAh oder Wh Angaben.)
PS: Der Artikel sieht allein beim Durchscrollen fundiert aus. Ich werde ihn bei Zeit und Musse gerne durchlesen.

08.03.2018
Rispondi
User alex.schuetz

Guter Artikel... der mal einige Fragezeichen knickt.
Wie lange die Einführung der Graphen akkus noch braucht ist ungewiss. Fakt ist, dass diese Akus bereits verfügbar sind und eingesetzt werden. jedoch noch einen sehr hohen Preis haben und die reinheiten etwas schwankend sind.

11.03.2018
User alex.schuetz

Die Herausforderung ist es eine Methode zu entwikeln mit der Graphene im grossen Masstab hergestellt werden kann und bezahlbar wird. Momenthan wecken Lössungen mit sojaproteinen grosse Hoffnung. Also jeder der wenig Geduld und eine Küche hat, kann mit experimentieren :)

11.03.2018
Rispondi
User firlefanz

Schliesse mich auch an mit eigenem Kommentar:
Toller, aufschlussreicher, klärender, klugmachender Artikel.
Danke vielmals.

Jep. Das mit ungefährer Lesezeit finde ich ne gute Idee.

13.03.2018
User Morepower

Super Bericht!

13.03.2018
User FranzBär

Hm. Hoffe die Forscher von Samsung haben auch ein Auge nach Freiburg im Preisgau, an die UNI.
swr.de/swraktuell/bw/neuart... Sie haben scheinbar die Alleskönnerbatterie entwickelt.

13.03.2018
User pmsmeu

boule de graphene: Les condition de test son optimisees pour un resultat nature manuscript! masquant les performances reel du materiel.extrait..:1.3 M lithium hexafluorophosphate (LiPF6) in EC, EMC, and DEC with 1 wt% lithium bis(oxalate)borate (LiBOB) and 0.5 wt% vinyl ethylene carbonate (VEC)...

20.03.2018
User gregoire.titze

Etes-vous sûr de vos propos concernant les batteries solides ?
Elles sont l'avenir en offrant une plage thermique d'utilisation plus confortable (-20 -> +100), temps de recharge se compte désormais en minutes et non plus en heures et surtout on peut doubler la capacité de charge et de décharge, donc l'autonomie, tout en augmentant la durée de vie. Les premiers tests verront le jour en 2020.

23.03.2018
User Xenarion

Très intéressant merci !

23.03.2018
User scanix85

Nid schlecht... ;-)

25.03.2018