Cosa accadrebbe se un elemento comune, anziché altri più scarsi e costosi, fosse un componente chiave nelle batterie delle auto elettriche?
Ha cercato di capirlo lo studio “Unlocking iron metal as a cathode for sustainable Li-ion batteries by an anion solid solution” pubblicato su Science Advances da un team di ricercatori statunitensi (in gran parte di origine asiatica) guidato da Mingliang Yu del Department of Chemistry dell’’Oregon State University (OSU) e che punta a «innescare una rivoluzione verde delle batterie dimostrando che, invece del cobalto e del nichel, il ferro può essere utilizzato come materiale catodico nelle batterie agli ioni di litio».
Un altro autore dello studio, Xiulei “David” Ji, anche lui dell’OSU, dice che si tratta di risultati importanti per molte ragioni: «Abbiamo trasformato la reattività del ferro, il metallo più economico. Il nostro elettrodo può offrire una densità di energia maggiore rispetto ai materiali catodici all’avanguardia nei veicoli elettrici. E poiché utilizziamo il ferro, il cui costo può essere inferiore a un dollaro al chilogrammo – una piccola frazione di nichel e cobalto, indispensabili nelle attuali batterie agli ioni di litio ad alta energia – il costo delle nostre batterie è potenzialmente molto più basso. Attualmente, il catodo rappresenta il 50% del costo di produzione di una cella di batteria agli ioni di litio. Al di là degli aspetti economici, i catodi a base di ferro consentirebbero maggiore sicurezza e sostenibilità».
Dato che per elettrificare il settore dei trasporti occorrono sempre più batterie agli ioni di litio, la domanda globale di nichel e cobalto è aumentata vertiginosamente. Ji sottolinea che «Nel giro di un paio di decenni, le previste carenze di nichel e cobalto freneranno la produzione di batterie come avviene attualmente. Inoltre, la densità energetica di questi elementi è già stata estesa al livello massimo – se fosse spinta oltre, l’ossigeno rilasciato durante la ricarica potrebbe causare l’incendio delle batterie – inoltre il cobalto è tossico, il che significa che può contaminare gli ecosistemi e le fonti d’acqua se fuoriesce. delle discariche. Mettendo tutto insieme, è facile comprendere la ricerca globale di prodotti chimici per le batterie nuovi e più sostenibili».
Una batteria immagazzina energia sotto forma di energia chimica e attraverso reazioni la converte nell’energia elettrica necessaria per alimentare veicoli, telefoni cellulari, laptop e molti altri dispositivi e macchine. Esistono diversi tipi di batterie, ma la maggior parte funziona allo stesso modo e contiene gli stessi componenti di base. Una batteria è composta da due elettrodi – l’anodo e il catodo, realizzati generalmente con materiali diversi – nonché da un separatore e da un elettrolita, un mezzo chimico che consente il flusso di carica elettrica. Durante la scarica della batteria, gli elettroni fluiscono dall'anodo in un circuito esterno e poi si raccolgono nel catodo. In una batteria agli ioni di litio la carica viene trasportata tramite gli ioni di litio mentre si spostano attraverso l'elettrolita dall'anodo al catodo durante la scarica e viceversa durante la ricarica.
Ji evidenzia che «Il nostro catodo a base di ferro non sarà limitato dalla carenza di risorse. Il ferro, oltre ad essere l'elemento più comune sulla Terra misurato in massa, è il quarto elemento più abbondante nella crosta terrestre . Non rimarremo senza ferro finché il sole non si trasformerà in una gigante rossa».
Il team di ricercatori di numerose università e laboratori statunitensi ha aumentato la reattività del ferro nel catodo, progettando un ambiente chimico basato su una miscela di fluoro e anioni fosfato, ioni caricati negativamente. Il mix, accuratamente miscelato come soluzione solida, consente la conversione reversibile – cioè la batteria può essere ricaricata – di una miscela fine di polvere di ferro, fluoruro di litio e fosfato di litio in sali di ferro.
Ji sottolinea che «Abbiamo dimostrato che la progettazione dei materiali con anioni può rompere il tetto della densità energetica per batterie che sono più sostenibili e che costano meno. Non utilizziamo sale più costoso insieme al ferro, ma solo quelli utilizzati dall'industria delle batterie e poi la polvere di ferro. Per inserire questo nuovo catodo nelle applicazioni, non è necessario cambiare nient’altro: niente nuovi anodi, niente nuove linee di produzione, niente nuovo design della batteria. Stiamo solo sostituendo una cosa, il catodo».
Ma Ji ammette che l’efficienza dello stoccaggio deve ancora essere migliorata: «Al momento, non tutta l’elettricità immessa nella batteria durante la ricarica è disponibile per essere utilizzata dopo la scarica. Quando questi miglioramenti verranno apportati il risultato sarà una batteria che funzionerà molto meglio di quelle attualmente in uso, costando meno ed essendo più ecologica».
JI conclude fermamente convinto che «Se ci saranno investimenti in questa tecnologia, non dovrebbe volerci molto prima che sia disponibile in commercio. Abbiamo bisogno che i visionari dell’industria allochino risorse in questo campo emergente. Il mondo può avere un’industria del catodo basata su un metallo quasi gratuito rispetto al cobalto e al nichel. E anche se si deve lavorare davvero duro per riciclare il cobalto e il nichel, non si deve nemmeno riciclare il ferro: se lo lasci andare si trasforma in ruggine».
