Efficienza. Efficacia. Materiali facilmente reperibili e a costi contenuti. Bassi costi e semplicità di produzione. Se esistessero, le tavole della legge della ricerca in ambito energetico imporrebbero senza alcun dubbio tutte queste caratteristiche a qualsiasi attività o tecnologia legata alla produzione, all’immagazzinamento o al trasporto di energia. Il problema con cui l’umanità si sta confrontando è infatti quello della realizzazione di sistemi di produzione e immagazzinamento di energia al minor costo possibile, che possano operare con efficienza ed efficacia, che lavorino su tempi brevi per raggiungere le prestazioni previste a regime e utilizzino tecnologie di facile realizzazione e bassi costi. All’interno di questo enorme settore di ricerca, una delle attività di studio e sviluppo più interessanti, confluenza della chimica, della fisica e dell’ingegneria elettronica, è rappresentato dalla produzione di batterie di nuova concezione.
Ciò che si vuole trovare sono nuovi dispositivi a costi ragionevoli per uno sviluppo industriale, che si ricarichino in tempi più brevi e che consentano di immagazzinare quantità di carica maggiori di quelli già sul mercato. Se esistesse una tecnologia per la realizzazione di batterie di questo tipo potremmo avere smartphone che durano giorni e che si ricaricano in pochi minuti, o altri strumenti elettronici come personal computer, notebook, iPad e tablet in genere. Ma potremmo pensare anche alla realizzazione di automobili elettriche di nuova concezione.
In questo contesto quello che si ricerca è un nuovo particolare modello di batteria che, oltre a richiedere tempi brevi di ricarica, riesca a condensare una grande quantità di energia. La densità di energia infatti è determinante per immaginare un utilizzo legato anche a oggetti o strumenti che necessitino di grandi potenze per funzionare, come per esempio un’automobile ibrida.
Alcuni ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory, guidati da Hansan Liu, Gilbert Brown e Parans Paranthaman hanno effettivamente realizzato un nuovo tipo di batteria, utilizzando biossido di titanio in batterie a ioni di litio. Il risultato ottenuto è molto interessante: il materiale utilizzato consente di incrementare l’area superficiale e conferisce una capacità di carica e scarica della batteria molto più veloce delle normali batterie al litio.
«Possiamo caricare la nostra batteria fino al 50% della massima capacità in sei minuti, mentre le batterie a ioni di litio a base di grafite in un tale tempo avrebbero raggiunto solo il 10% della carica», riportano i ricercatori sulla rivista Advanced Materials.
Il nuovo materiale, inoltre permette la realizzazione di batterie che ergano una potenza notevolmente più elevata delle normali, 256 milliampere-ora per grammo contro i “normali” 156 milliampere-ora per grammo. I composti usati sono inoltre molto sicuri e usano materiali a basso costo, cosa che fa ben sperare per un loro utilizzo su larga scala, anche in impianti di produzione energetica, come gli impianti eolici o solari, dove la capacità di immagazzinamento veloce di batterie progettate su queste premesse tecnologiche troverebbe un diffuso impiego.
L’architettura interna del composto è il segreto del possibile successo di questo tipo di tecnologia: il biossido di titanio utilizzato, infatti, è organizzato in una configurazione detta a microsfere mesoporose di TiO2-B. Le sfere permettono di immagazzinare un flusso di ioni attraverso i loro caratteristici canali interni, senza opporre resistenza, quasi fossero dei condensatori elettrici. È proprio questo il motivo del breve tempo di carica e scarica della batteria.
«Gli studi teorici hanno permesso di scoprire che questo comportamento pseudocapacitativo si origina dalle caratteristiche intrinseche dell’assorbimento e della diffusione nella struttura del TiO2-B». La forma delle microsfere dà la possibilità di creare elettrodi e strati di elettrodi compatti, ma attraverso un processo di produzione complesso, con molte fasi: il lavoro che verrà svolto è perciò d’ora in avanti la semplificazione del processo in vista di una applicabilità industriale effettiva.
I requisiti della nuova tecnologia, infatti, risponderebbero bene ad alcune caratteristiche del fantomatico vademecum di una tecnologia veramente innovativa in ambito energetico: i materiali poco costosi, le prestazioni elevate in termini di tempi di carica e scarica e la grande capacità di immagazzinamento infatti devono piegarsi alla economicità e semplicità di realizzazione se vogliono vedersi diffondere su larga scala. Le premesse, però, spingono a un cauto ottimismo: il molto lavoro di ricerca ancora necessario ci darà le risposte definitive.