Il magnesio al posto del litio per batterie convenienti?

L’Università di Scienze di Tokyo sta conducendo ricerche sul magnesio come promettente candidato per le batterie di prossima generazione. Per il momento, le prestazioni e la capacità delle batterie al magnesio devono essere migliorate per poter sostituire il litio, ma le ricerche proseguono.

Il team di ricerca del TUS si è concentrato su un nuovo materiale catodico con struttura in spinello. A seguito di un’ampia caratterizzazione e di esperimenti sulle prestazioni elettrochimiche, hanno trovato una composizione specifica che potrebbe aprire le porte a batterie ricaricabili al magnesio ad alte prestazioni.
Il team ritiene di aver trovato la strada giusta per il successo, come riportato e pubblicato sul Journal of Electroanalytical Chemistry.

Attualmente le batterie agli ioni di litio sono rimaste ineguagliate in termini di prestazioni complessive per diverse applicazioni, come dimostra il loro ampio utilizzo in ogni tipo di apparecchiatura, dall’elettronica portatile alle stazioni base dei telefoni cellulari. Tuttavia, soffrono di alcuni importanti svantaggi che è difficile ignorare.

Ad esempio, il litio è piuttosto costoso e il fatto che venga estratto ad un ritmo estremo non aiuta. Inoltre, la densità energetica delle batterie agli ioni di litio non è sufficiente a garantire l’autonomia dei veicoli elettrici e dei macchinari pesanti. Queste preoccupazioni, unite al fatto che le batterie sono altamente pericolose se forate o ad alte temperature, hanno spinto gli scienziati a cercare tecnologie alternative.

Tra i vari elementi che vengono testati come efficienti vettori energetici per le batterie ricaricabili, il magnesio (Mg) è un candidato promettente. Oltre alla sua sicurezza e abbondanza, il Mg ha il potenziale per realizzare batterie con capacità più elevate. Tuttavia, è necessario risolvere prima alcuni problemi. Tra questi, la bassa finestra di tensione che gli ioni di Mg offrono e l’inaffidabilità dei cicli osservata nei materiali delle batterie al Mg.

Per affrontare questi problemi, un gruppo di ricerca guidato dal vicepresidente e professore Yasushi Idemoto della Tokyo University of Science, in Giappone, è alla ricerca di nuovi materiali catodici per le batterie al Mg. In particolare, ha cercato di migliorare le prestazioni dei materiali catodici basati sul sistema MgV (V: vanadio).

I ricercatori si sono concentrati sul sistema Mg1,33V1,67O4, ma hanno sostituito una parte del vanadio con il manganese (Mn), ottenendo materiali con la formula Mg1,33V1,67-xMnxO4, dove x va da 0,1 a 0,4. Sebbene questo sistema offrisse un’elevata capacità teorica, per comprenderne l’utilità pratica era necessario analizzare ulteriori dettagli sulla struttura, la ciclabilità e le prestazioni del catodo. Di conseguenza, i ricercatori hanno caratterizzato i materiali catodici sintetizzati utilizzando un’ampia gamma di tecniche standard.

In primo luogo, hanno studiato la composizione, la struttura cristallina, la distribuzione degli elettroni e la morfologia delle particelle dei composti Mg1.33V1.67-xMnxO4 utilizzando la diffrazione e l’assorbimento dei raggi X e la microscopia elettronica a trasmissione. Le analisi hanno mostrato che Mg1.33V1.67-xMnxO4 ha una struttura spinello con una composizione notevolmente uniforme.

Successivamente, i ricercatori hanno condotto una serie di misurazioni elettrochimiche per valutare le prestazioni della batteria di Mg1.33V1.67-xMnxO4, utilizzando diversi elettroliti e testando le proprietà di carica/scarica risultanti a varie temperature.
Il team ha osservato un’elevata capacità di scarica per questi materiali catodici – in particolare Mg1.33V1.57Mn0.1O4 – che però variava significativamente a seconda del numero di cicli. Per capirne il motivo, hanno analizzato la struttura locale vicino agli atomi di vanadio nel materiale.

Il Prof. Idemoto ha spiegato: “Sembra che la struttura cristallina particolarmente stabile, insieme a una grande quantità di compensazione della carica da parte del vanadio, porti alle superiori proprietà di carica-scarica che abbiamo osservato per l’Mg1.33V1.57Mn0.1O4. Nel complesso, i nostri risultati indicano che l’Mg1.33V1.57Mn0.1O4 potrebbe essere un buon materiale catodico candidato per le batterie ricaricabili al magnesio”.

Soddisfatto dei risultati attuali e fiducioso in ciò che verrà, il Prof. Idemoto ha concluso: “Attraverso la ricerca e lo sviluppo futuri, le batterie al magnesio potrebbero superare le batterie agli ioni di litio grazie alla maggiore densità energetica delle prime”.

In effetti, i sistemi MgV sostitutivi potrebbero portare alle tanto attese batterie di nuova generazione. Speriamo che l’attesissima alternativa al litio per le nostre esigenze di batterie ricaricabili si realizzi presto.

Con l’aumento delle pressioni politiche per l’uso della mobilità elettrica, anche la domanda di batterie è destinata ad aumentare. Il litio, il cui prezzo è già piuttosto alto e che viene lavorato in paesi non proprio amichevoli nei confronti del mondo libero, ha bisogno di una valida concorrenza.

Attualmente sono in fase di ricerca diversi prodotti chimici. Tra non molto una o più di esse offriranno una concorrenza capace e competente. Quanto siano inferiori i costi e le prestazioni per i consumatori è ancora da vedere. La riduzione dei costi dovrà essere piuttosto consistente, poiché l’impegno di capitale per una chimica competitiva sarà elevato.

Per ora, come ha osservato il Prof. Idemoto, c’è ancora da fare ricerca, ma la strada potrebbe essere quella giusta per avere batterie a buon prezzo.