ENERGIA/ Un po’ di grafene fa rinascere le centenarie batterie di Edison

- La Redazione

Il ritorno della batteria al Nichel-Ferro che Thomas Edison usava già nel 1901. L’Università di Stanford in California intende rilanciarne l’uso. L’articolo di MICHELE ORIOLI

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Thomas A. Edison

Progettata da quel genio tecnologico di Thomas A. Edison agli inizia del 900 per alimentare i promettenti (!) veicoli elettrici, la batteria al Nichel-Ferro ha subito un rapido declino a metà anni 70. Oggi solo uno sparuto gruppo di aziende in Usa, Cina e Russia commercializzano simili modelli impiegati soprattutto per immagazzinare il surplus di elettricità prodotta dai pannelli solari e dai generatori eolici.

Edison, uno dei primi sostenitori della mobilità elettrica, ha iniziato la commercializzazione delle batterie al Nichel-Ferro nel 1901 e il loro utilizzo nelle auto elettriche è durato fino al 1920 circa. Le caratteristiche di lunga durata e affidabilità di queste batterie le ha rese una fonte molto diffusa per l’alimentazione di backup in campo ferroviario, nell’industria minerarie  e in altri settori, fin verso la metà del secolo scorso.

Edison aveva pensato alla soluzione nichel-ferro come alternativa economica alle corrosive batterie al piombo. Il loro design di base è costituito da due elettrodi: un catodo di nichel e un anodo di ferro, immersi in una soluzione alcalina; da notare che sia nichel che ferro sono elementi abbondanti sulla Terra e relativamente non tossici.

Sono batterie molto resistenti, ma presentano una serie di inconvenienti: una tipica batteria del genere può richiedere ore per ricaricarsi e anche il tasso di scarica è molto lento. Ora però dall’Università californiana di Stanford arrivano delle novità: un gruppo di chimici guidati da Hongjie Dai, ha considerevolmente migliorato la performance di questa centenaria tecnologia. Tra i risultati, pubblicati sull’ultimo numero di giugno di Nature Communications, il principale è un aumentato del tasso di carica e scarica di quasi 1.000 volte. La batteria al Nichel-Ferro che hanno realizzato è ultraveloce e può caricarsi totalmente in circa due minuti e scaricarsi in meno di 30 secondi. 

«Con queste alte prestazioni – dicono al Dipartimento di chimica a Stanford – dato il basso costo della batteria si potrebbe un giorno ridarle nuova vita utilizzandola per incrementare lo sviluppo dei veicoli elettrici, così come Edison originariamente previsto». 

Per migliorare la conducibilità elettrica degli elettrodi per molto tempo si è utilizzato il carbonio. La novità introdotta dal team di Stanford è stata il ricorso al grafene, questo materiale tuttofare che ormai sta spopolando sulla scena tecnologica con la sua capacità di presentarsi in fogli di carbonio di dimensioni nanometriche con un solo atomo di spessore  e di dar vita a multi-nanotubi ognuno composto da circa dieci fogli di grafene concentrici arrotolati.

Negli elettrodi convenzionali, materiali in ferro e nichel vengono mescolati in modo casuale con carbonio conduttivo; nei laboratori di Stanford invece, hanno fatto crescere nanocristalli di ossido di ferro sul grafene, e nanocristalli di idrossido di nichel su nanotubi di carbonio. «Questa tecnica genera un forte legame chimico tra le particelle di metallo e i nanomateriali di carbonio e ciò ha avuto un effetto decisivo sul miglioramento delle prestazioni. L’accoppiamento delle particelle di nichel e ferro col substrato di carbonio consente alle cariche elettriche di muoversi velocemente tra gli elettrodi e il circuito esterno; il risultato è una batteria ultraveloce in grado di caricarsi e scaricarsi in pochi secondi».

Quanto alle applicazioni, le prospettive sono allettanti. Il prototipo sviluppato nel laboratorio di Dai è una batteria da 1 volt e riesce solo a far funzionare una torcia elettrica. Ma l’obiettivo dei ricercatori è di realizzare batterie ben più grandi da impiegare  nelle reti elettriche e nei  trasporti. La maggior parte delle auto elettriche, come la Nissan Leaf e la Chevy Volt, funzionano con batterie a ioni di litio, che possono accumulare molta energia ma impiegano ore per caricarsi. «La nostra batteria – dicono i chimici di Stanford – probabilmente non sarà in grado da sola di alimentare una vettura elettrica, perché la sua densità di energia non è adeguata. Tuttavia potrebbe supportare le batterie agli ioni di litio, dando loro un efficace impulso di potenza per una più pronta accelerazione e una frenata rigenerativa».

La batteria Edison potenziata potrebbe essere particolarmente utile in situazioni di emergenza dove sia necessario caricare qualche apparecchiatura molto rapidamente. È inoltre sicuramente una tecnologia “scalabile”, quindi applicabile a modelli più grandi; e poi nichel, ferro e carbonio sono relativamente poco costosi e l’elettrolita è solo acqua con idrossido di potassio, anch’esso economico e sicuro. 

In realtà, qualche difetto non manca anche in questa innovazione: la batteria prototipo ha una limitata capacità di mantenere la carica nel tempo; non ha la stabilità del ciclo di carica-scarica che gli scienziati vorrebbero. Attualmente decade di circa il 20% su 800 cicli; è più o meno come in una batteria agli ioni di litio; ma gli inventori sognano un esemplare che non decada per nulla.  

 

(Michele Orioli)

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