Peso inferiore e capacità doppia: la sfida ENEA sulle batterie litio-zolfo

Batterie più leggere e con una capacità di accumulo doppia: è questo l’obiettivo cardine della ricerca ENEA che studierà le batterie litio-zolfo, le loro prestazioni ed i metodi per produrle, così da renderli più efficienti ed economici.

Si tenterà soprattutto di trovare il modo di trarre il maggior vantaggio possibile dall’utilizzo dello zolfo, un sottoprodotto dell’industria petrolifera, che, utilizzato all’interno di accumulatori, a parità di peso permette di immagazzinare quasi il doppio dell’energia delle batterie al litio tradizionali.
Questa tecnologia è già conosciuta dal settore, ma rimane frenata da un limite intrinseco di questi prodotti: la durata limitata della vita degli accumuli litio-zolfo.


Lo zolfo, in funzione di catodo, durante il processo di scarica produce polisolfuri di litio, composti intermedi solubili nell’elettrolita. È così che, inevitabilmente, nel tempo il catodo finisce per disciogliersi nell’elettrolita stesso.
 
“Questo fenomeno innesca un processo ciclico che porta a consumare corrente senza che si abbia accumulo di energia e provoca una perdita irreversibile del materiale attivo (zolfo), una rapida diminuzione della capacità specifica con il progredire del numero dei cicli e una ridotta reversibilità tra il processo di carica e scarica”, approfondisce la ricercatrice ENEA Mariasole Di Carli del laboratorio ENEA di "Sviluppo Processi Chimici e Termofluidodinamici per l’Energia".
 
I ricercatori ENEA hanno già individuato una possibile soluzione a questo problema. L’idea è quella di utilizzare delle nanoparticelle di materiale carbonioso all’anodo, così da aumentare la reversibilità della reazione di conversione e, di conseguenza, il cicli di carica-scarica delle batterie litio-zolfo.
L’inserimento di queste nanoparticelle, per via della loro ampia area superficiale, riescono ad intrappolare i polisolfuri di litio, composti causa della riduzione delle prestazioni del sistema.
“Nei nostri laboratori sintetizzeremo nanomateriali a base carboniosa adatti a essere utilizzati nelle batterie litio-zolfo, studieremo soluzioni elettrolitiche capaci di trasportare efficacemente ioni di litio e investigheremo l’interazione tra gli elettrodi (anodo e catodo)  e l’elettrolita e il comportamento delle celle litio-zolfo complete. In questo modo riusciremo a raggiungere la piena comprensione dei fattori che determinano la chimica di queste batterie innovative”, ha spiegato l’esperto ENEA di accumulo elettrochimico Pier Paolo Prosini.
 
Una volta completata la fase di studio e di progettazione, i ricercatori ENEA produrranno e testeranno delle batterie complete con energia nominale fino a 1.0 Wh, utilizzando attrezzature che possano assicurare la riproducibilità in serie dei prodotti, per poi proseguire con ulteriori analisi e piccole variazioni che provino a migliorarne ancora l’efficienza.
 
“Con l’enorme aumento della capacità di stoccaggio delle batterie litio-zolfo, possiamo aspettarci di vedere auto elettriche in grado di viaggiare a distanze sempre maggiori con una singola carica; al 2022 l’industria automobilistica potrebbe rappresentare il 5% del mercato totale grazie all’aumento del numero di veicoli elettrici in circolazione. Ma sono tante le applicazioni ad alta densità di energia che potrebbero trarre beneficio dalla nuova generazione di batterie: ad esempio, l’accumulo di energia da fonti rinnovabili, ma potremmo aumentare l’autonomia di smartphone, tablet e computer e, in generale, di tutti i dispositivi elettronici. Comunque, il mercato in cui potrebbero avere un notevole impatto è quello dell’aviazione, dove droni e aerei elettrici richiedono batterie sempre più potenti, a lunga durata e con grandi capacità di stoccaggio”, racconta Di Carli.
 
I vantaggi delle batterie litio-zolfo non sono solo legati ai livelli di efficienza ottenibili, ma anche all’aspetto ambientale: produrre gli accumuli elettro-chimici infatti richiede processi che impattano meno dal punto di vista mentale e non provocano grandi quantitativi di emissioni di gas serra. Tra l’altro, non contenendo metalli pesanti o materie critiche, questi prodotti sono più facilmente smaltibili di altre alternative.
 
Si tratta di un nuovo progetto di ricerca interessante, che trae spunto da altre iniziative similari gestite dall’Agenzia. Risale a poco tempo fa il brevetto delle batterie litio-zolfo studiate da ENEA che utilizzano la colla Vinavil come legante idrosolubile. Una soluzione che ha permesso di eliminare l’utilizzo di solventi organici volatili (VOC), pericolosi per l’uomo e per l’ambiente, nella preparazione degli elettrodi.
 
Ciò che più qualifica questa batteria innovativa, è il fatto che in fase di realizzazione è stata limitata al massimo la quantità di carbone presente sul catodo, per depositarla invece, uno strato alla volta, direttamente sul separatore tramite un legame polimerico. Ciò ha permesso di aumentare considerevolmente la densità energetica del dispositivo e di ridurne contemporaneamente il peso.
Infine, a differenza di altre tipologie di batterie litio-zolfo, in questa tipologia di batteria lo zolfo è introdotto in forma liquida, garantendo una capacità iniziale molto vicina a quella teorica.