Bio-batterie: il futuro dello stoccaggio è eco-friendly

Via libera ai dispositivi di immagazzinamento dell'energia sempre più piccoli, leggeri, economici e sostenibili.

La ricerca e l'innovazione, per fortuna, continuano il processo di studio di nuovi potenziali metodi per immagazzinare l'energia in modo sempre più efficiente ed ecologico.
Lo stoccaggio ad oggi presenta però notevoli problemi di varia natura:
• notevole inquinamento dovuto agli acidi delle batterie;
• deperimento delle batterie stesse, che hanno cicli di vita ancora troppo brevi;
• smaltimento delle batterie esauste, notoriamente problematico per ovvie ragioni di impatto ambientale.

Come ovviare a tutti questi problemi? Con le bio-batterie.

Lo studio delle bio-batterie è ad oggi ancora materia pionieristica ma sicuramente è quello che attira maggiormente l'attenzione del mercato dell'energia, perché esse rappresentano la soluzione ottimale per chi ha un occhio di riguardo anche per la longevità dell'ecosistema: il loro processo di ricarica e di successivo smaltimento è praticamente a tossicità zero.
Lo studio di queste batterie vuole arrivare a concepire sistemi di accumulo il più performanti possibile, che possano durare di più in termini di resa in ordine temporale e che siano composti da materiali il più possibile ecologici e perciò facili da smaltire.

Al Virginia Polytechnic Institute and State University stanno studiando da tempo le bio-batterie ed in particolare un combustibile da impiegare nelle “fuel cells” che, una volta processato, possa garantire la produzione di energia necessaria per sostenere inizialmente i consumi di un dispositivo mobile, senza dover essere dimensionalmente rilevante e/o eccessivamente pesante.
Queste bio-batterie potranno presentarsi in una forma desueta a cui siamo poco usi, un barattolo o piccole bustine; presto potremo infatti avere anche dentro il nostro smartphone degli “energy sachets” o dei barattoli con cui riempire i serbatoi (energy tanks) ed i battery packs degli strumenti del comparto mobile.

Le batterie allo zucchero.
"Sfruttando l'energia prodotta dalle batterie agli ioni di litio il telefono riesce a restare acceso e funzionante solamente un giorno circa, ma nel prossimo futuro si userà persino lo zucchero come combustibile ed allora la vostra batteria potrebbe arrivare a durare anche 10 giorni", questo è quanto ha dichiarato uno dei ricercatori che stanno lavorando alle batterie allo zucchero.

Prof Zhang, Virginia: Fuel Cell Glucose

Come funzionano?
Le bio-batterie allo zucchero sono in realtà delle celle di combustibile (fuel cells) che usano il medesimo principio con cui il nostro corpo trasforma lo zucchero in energia per alimentare il metabolismo.
Nel corpo umano lo zucchero viene infatti trasformato dalle reazioni metaboliche in biossido di carbonio ed acqua, rilasciando elettroni.
All'interno della batteria, la stessa trasformazione viene catalizzata da due enzimi che liberano due coppie di elettroni dallo zucchero. Le batterie sfruttano questi elettroni per produrre l'energia elettrica ed alimentare i dispositivi elettronici.
Altri 10 enzimi servono alla bio-batteria per ristabilire i reagenti all'interno della cella di reazione e, da qui il ciclo può ricominciare daccapo.
Dopo 6 cicli la bio-batteria avrà estratto tutta l'energia disponibile dalla molecola di zucchero.

Enzymatic Fuel Cell Diagram

Articolo (Inglese):
http://www.rsc.org/chemistryworld/2014/01/sweet-success-bio-battery-sugar-power-phones

Research paper: "A high-energy-density sugar biobattery based on a synthetic enzymatic pathway"
http://www.nature.com/ncomms/2014/140121/ncomms4026/full/ncomms4026.html

Ma non è finita, all'Università di Leeds (UK) stanno invece lavorando su una particolare batteria che funziona grazie ad una gelatina di litio.

L'invenzione è di quelle che cambieranno il mondo tecnologico: provate a pensare agli innumerevoli vantaggi ottenibili da una batteria che può adattarsi a qualsiasi forma e si può quindi plasmare sulle più disparate fantasie dei designers.

Le batterie tradizionali sono degli involucri rigidi e sigillati, contenenti liquido, tossico, acido ed infiammabile a base di litio. Hanno il difetto di essere costose, ma anche potenzialmente pericolose (sono tristemente noti i – se pur rari – casi di “batterie esplose”). Per evitare corto circuiti gli elettrodi devono essere mantenuti distanti tramite l'adozione di appositi elementi di separazione. Le nuove batterie gelatinose sviluppate dagli scienziati di Leeds eliminano persino questo problema!

"Il polimero gelatinoso ha un aspetto simile a quello di una patina sottile, ma contiene circa il 70% del materiale elettrolitico" sostiene il Professore Ian Ward "e viene prodotto con le stesse metodologie con le quali si produce una gelatina: si aggiunge tanta acqua calda. In questo caso si tratta di un polimero e di un mix elettrolitico. Una volta raffreddato, si forma una massa solida ma malleabile".

Il collega Peter Bruce aggiunge che "Le batterie convenzionali usano elettroliti basati su liquidi organici. Sono questi quelli che possono prendere fuoco. Sostituendo il liquido organico con la gelatina, si aumenta considerevolmente il livello di sicurezza della batteria stessa".

Link al sito dell'Università di Leeds (Inglese):
https://www.leeds.ac.uk/news/article/2409/polymer_gel_batteries

Nel mentre, oltreoceano, al MIT (Massachusetts Institute of Technology) di Boston, non stanno certamente fermi a guardare i risultati dei colleghi/competitors.

Un team di ricercatori guidati dal Professore Yang Shao-Horn, in collaborazione con la Professoressa Paula Hammond e gli studenti Seung Woo Lee e Naoaki Yabuuchi - hanno rilevato già dal 2010 che i nanotubi al carbonio permettono di aumentare fino a 10 volte l'energia prodotta da una normale batteria agli ioni di litio!
I nanotubi al carbonio sono infatti stati impiegati per realizzare l'anodo di una batteria; il risultato è che la batteria stessa è capace di immagazzinare quantità di energia fino ad oggi impensabili.

Per produrre il nuovo elettrodo i ricercatori hanno usato un metodo di fabbricazione di tipo “layer by layer” (a strati sovrapposti), nel quale un materiale base viene immerso alternativamente in soluzioni con nanotubi al carbonio trattati con composti organici semplici. Queste soluzioni danno agli strati la carica positiva o negativa. Gli strati alternati sulla superficie si legano insieme per via delle cariche complementari, dando origine ad una pellicola stabile e duratura.

Nanotubes

Le batterie come quelle agli ioni di litio sono basate su 3 semplici componenti:
due elettrodi (anodo e catodo) separati da un elettrolita, un materiale nel quale gli ioni si possono spostare facilmente. Quando le batterie sono attive, gli ioni di litio caricati positivamente si spostano all'interno dell'elettrolita verso il catodo, creando una corrente elettrica. Quando la batteria viene ricaricata, la corrente esterna sposta gli ioni dalla parte opposta, riconducendoli nell'anodo.

Negli elettrodi della nuova super-batteria del MIT i nanotubi al carbonio si assemblano spontaneamente in una struttura altamente legata che in scala nanometrica risulta però essere porosa. I nanotubi hanno inoltre sulla propria superficie diversi gruppi di ossigeno, che possono immagazzinare un gran numero di ioni di litio; tutto questo consente di impiegare i nanotubi al carbonio per la prima volta come elettrodo positivo all'interno delle batterie agli ioni di litio, anziché di utilizzarli come fino ad oggi, solamente in qualità di elettrodo negativo.

"Il processo di assemblaggio spontaneo elettrostatico è importante", spiega la Prof. Hammond, "perché solitamente i nanotubi al carbonio tendono a legarsi su una superficie in fasci, lasciando minore superficie esposta per la reazione. Integrando le molecole organiche nei nanotubi, quest'ultimi si assemblano in un modo tale da avere elevato grado di porosità in presenza di un elevato numero di nanotubi".

Le batterie al litio con il nuovo nanomateriale dimostrano alcuni vantaggi tipici dei condensatori e della batterie agli ioni di litio. L'output energetico per un dato peso è 5 volte maggiore rispetto a quella dei condensatori standard e l'energia totale fornita è ben 10 volte maggiore a quella delle batterie tradizionali agli ioni di litio!
Queste prestazioni straordinarie possono essere attribuite ad una buona conduzione degli ioni e degli elettroni all'interno dell'elettrodo ed a un immagazzinamento efficiente del litio sulla superficie dei nanotubi.

Oltre all'output elevato di energia, gli elettrodi formati dai nanotubi in carbonio hanno mostrato anche una eccellente stabilità temporale. Dopo 1000 cicli di carica/scarica non ci sono stati cambiamenti tangibili nelle performance del materiale.

Gli elettrodi prodotti dal team hanno uno spessore di pochi micron ed i miglioramenti sono stati riscontrati solo con elevati livelli di output energetico. Lo sviluppo successivo sarà quello di produrre elettrodi più spessi ed estendere pertanto le prestazioni raggiunte anche ad output a bassa energia. Questi elettrodi potrebbero trovare applicazione inizialmente nei piccoli gadgets portatili (dispositivi del comparto mobile), ma il progresso della ricerca potrebbe presto condurli anche in batterie per applicazioni che necessitano di maggiore energia, come i veicoli ibridi o ai sistemi di accumulo di energia nel settore edile/residenziale (FV).

Link al sito dell'MIT (Inglese):
http://web.mit.edu/newsoffice/2010/batteries-nanotubes-0621.html
Press release (Inglese):
http://web.mit.edu/press/2010/enhanced-battery.html

Il Prof. Bruno Scrosati, esperto dell'Università "La Sapienza" di Roma, pensa che il lavoro svolto dai colleghi americani sia interessante, ma non lo ritiene una pietra miliare. Scrosati afferma infatti che le celle funzionano più come supercondensatori che come una batteria perché le reazioni che producono energia sembrano avvenire sulla superficie degli elettrodi. "Perciò non sorprende particolarmente che sia in grado di fornire maggiore energia rispetto alle normali batterie al litio che sono generalmente progettate per fornire un'elevata densità energetica".

 

 

Il Prof. Vasant Kumar, scienziato del dipartimento di energetica dell'Università di Cambridge, è della stessa opinione ma riconosce che per un supercondensatore è stupefacente esibire una capacità energetica così elevata: "Questa pubblicazione dimostra che riducendo le dimensioni delle strutture di un elettrodo, batterie e supercondensatori possono sovrapporsi l'uno sull'altro".

Quel che è certo è che non manca molto per avere le super-batterie in commercio, forse ci vorrà ancora un po' di tempo affinché queste ultime siano a basso impatto ambientale...ma i lavori e le ricerche procedono molto speditamente.
 


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