CATL: Le celle respiranti / Li-air rappresentano il principale ambito di ricerca per il futuro. Densità energetiche diverse volte superiori

Wu Kai, principale ricercatore presso CATL, il più grande produttore di batterie al litio-ione al mondo, ha definito la tecnologia delle batterie a litio-aria, che letteralmente utilizzano l’ossigeno atmosferico, come “il principale ambito di ricerca futura dell’azienda”, secondo quanto riportato dal portale Interested Engineering. Non si tratta più di batterie classiche con elettrolita solido, il cui grado di densità energetica è 1,5-2 volte superiore a quello delle batterie attuali; si tratta invece di prodotti in grado di contenere fino a quattro volte più energia nello stesso volume.

Li-air. Nella versione solida di CATL: un sogno

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Li-air. Nella versione solida di CATL: un sogno

Li-air. Una tecnologia vecchia con molti problemi irrisolti

Una densità di energia quattro volte superiore (1,2 kWh/kg) non è un valore arbitrario, bensì il risultato di calcoli effettuati da scienziati del laboratorio nazionale americano Argonne, che da diversi anni stanno testando prototipi di cellule Li-air. La batteria attuale di un’auto elettrica, con una capacità di circa 80 kWh e un peso di mezza tonnellata, utilizzando cellule Li-air potrebbe pesare intorno ai 150 chilogrammi mantenendo la stessa capacità. Potrebbe anche raggiungere i 250 chilogrammi, per fornire all’autista dell’auto elettrica un raggio d’azione simile a quello di un modello concorrente a combustione interna, con esattamente la stessa massa e una distribuzione migliore del peso (più basso rispetto al suolo).

Schema strutturale della cellula Li-air (c) ANL

La densità energetica della benzina è di 12,9 kWh/kg. La teorica massima densità energetica delle celle Li-air è quasi pari a quella del litio puro, ovvero circa 11,1 kWh/kg, ma in pratica non è stato possibile raggiungere un valore superiore a circa 1/7 di questo livello (~1,7 kWh/kg; fonte). Il limite è rappresentato dallo stesso litio, che sovraccarica la cella lungo le vie ioniche (dendriti), causando cortocircuiti quando ne è presente in eccesso. Questo aspetto sembra sfavorevole rispetto alla benzina, ma bisogna ricordare che nell’elettrica circa l’80-90 percento dell’energia accumulata arriva alle ruote, mentre nelle auto a combustione interna l’efficienza è di solito intorno al 25-30 percento (3,2-3,9 kWh/kg).

Li-air. Una tecnologia vecchia con molti problemi irrisolti

Il problema più grave delle celle Li-air è la loro scarsa durata. Il litio puro che costituisce l’anodo reagisce con l’elettrolita, causando la formazione di uno strato di ossido, idrossido e carbonato di litio che inizialmente protegge l’elettrodo dalla corrosione ulteriore, ma col tempo ostacola il passaggio degli ioni. La libera accessibilità all’aria – come suggerisce il nome; l’ossidazione è infatti una condizione necessaria per il passaggio degli elettroni – fa sì che composti simili possano formarsi in qualsiasi punto della cella dove è presente il litio. Si sta valutando l’uso di rivestimenti resistenti che coprano l’anodo, permettendo il passaggio degli ioni ma impedendo la reazione con i fattori atmosferici e, di conseguenza, bloccando la crescita dei dendriti (confronta: elettroliti solidi).

Batteria CATL Shenxing Pro. Nel caso di utilizzo di celle Li-air sarà necessario un ulteriore cavo per l’alimentazione dell’aria e, se deve caricarsi rapidamente, anche un compressore.

Nella catodo, invece, basta una piccola quantità d’acqua affinché l’ossido di litio si trasformi in idrossido di litio che corrode la sua struttura. Per questo motivo, oggi, dopo decenni di ricerche sulle batterie “respiranti”, non sappiamo nemmeno se la soluzione migliore siano gli elettroliti a base d’acqua (con anodo isolato), in cui ossidi e idrossidi di litio si mescolano liberamente, oppure quelli protonici (aprotici), che non dissolvono gli ossidi (e quindi non formano idrossidi), ma causano l’occlusione della catodo.

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