La rivoluzione silenziosa delle batterie? Arriva la batteria a ioni idruro, ricaricabile e a stato solido

Nel grande e affollato mondo dell’accumulo energetico, dove il litio sembra regnare incontrastato, ogni tanto fa capolino un nuovo pretendente al trono. Spesso si tratta di annunci altisonanti che si perdono nel nulla, ma questa volta la notizia, pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature, merita un’attenzione particolare. Un team di ricercatori cinesi ha infatti realizzato il primo prototipo di batteria ricaricabile a ioni idruro (H−), completamente a stato solido e funzionante a temperatura ambiente.

Gli ioni idruro, in parole semplici, sono atomi di idrogeno con un elettrone in più. Per le loro caratteristiche – massa ridottissima e un potenziale di ossidoriduzione elevato – sono da tempo considerati candidati ideali per le batterie del futuro. Il problema, come sempre, non è l’idea ma la sua realizzazione pratica. Finora, nessun elettrolita (il materiale che trasporta le cariche all’interno della batteria) era riuscito a combinare tre requisiti fondamentali:

• Velocità di trasporto degli ioni.
• Stabilità termica.
• Compatibilità con gli elettrodi.

Un po’ come chiedere a un’utilitaria di avere le prestazioni di una Formula 1, la robustezza di un carro armato e il costo di una bicicletta. Tre caratteristiche sino ad ora incompatibili fra di loro.

L’uovo di Colombo: un elettrolita “Core-Shell”

Il passo avanti decisivo è arrivato dal team del Prof. Ping Chen presso l’Istituto di Fisica Chimica di Dalian (DICP). I ricercatori hanno creato un innovativo elettrolita composito con una struttura definita “core-shell”, ovvero a nucleo e guscio. Hanno incapsulato un nucleo di idruro di cerio (CeH3​), noto per la sua alta conducibilità ionica, con un sottile guscio di idruro di bario (BaH2​), che invece garantisce una grande stabilità.

Questa struttura ibrida, denominata 3CeH3​@BaH2​, sfrutta il meglio dei due mondi: permette un rapido movimento degli ioni idruro a temperatura ambiente mantenendo una stabilità elettrochimica e termica eccezionale. È la classica soluzione brillante a un problema complesso.

Struttura della batteeria a 3CeH3​@BaH2​,

Il Prototipo che Accende la Speranza (e un LED)

Con questo nuovo super-elettrolita, il team ha assemblato una batteria prototipo completamente a stato solido. Vediamo i componenti:

• Catodo: Un materiale classico per lo stoccaggio dell’idrogeno, l’alanato di sodio (NaAlH4​).
• Elettrolita: Il nuovo composto 3CeH3​@BaH2​.
• Anodo: Idruro di cerio (CeH2​).

Le prestazioni sono state notevoli per un primo prototipo. La batteria ha fornito una capacità di scarica iniziale di $984\text{mAh/g}$ a temperatura ambiente, mantenendo $402\text{mAh/g}$ dopo 20 cicli di carica e scarica. Non sono numeri che faranno tremare il mercato domani, ma dimostrano che il concetto è valido e funzionante.

Per dare una dimostrazione pratica, i ricercatori hanno impilato più celle raggiungendo una tensione operativa di $1.9\text{V}$, sufficiente per accendere una lampada a LED. Un piccolo passo per un LED, ma un grande balzo per questa tecnologia.

Perché è Importante: Sicurezza e Sostenibilità

Al di là dei numeri, il vero punto di forza di questa tecnologia risiede in un vantaggio cruciale: la sicurezza. Utilizzando l’idrogeno come vettore di carica in una configurazione a stato solido, si evita la formazione di dendriti. I dendriti sono dei filamenti metallici che possono crescere all’interno delle batterie al litio durante i cicli di ricarica, portando a cortocircuiti e, nei casi peggiori, a incendi.

Questa batteria a ioni idruro, per sua natura, elimina il problema alla radice, aprendo la strada a dispositivi di accumulo energetico intrinsecamente più sicuri e più mduraturi. Inoltre, la grande versatilità dei materiali a base di idruri offre un enorme potenziale per lo sviluppo di soluzioni di accumulo energetico efficienti, sostenibili e, speriamo, economiche.

Mentre il mondo si affanna sul litio, forse una soluzione più sicura era nascosta nell’elemento più semplice di tutti. Staremo a vedere se questa promessa si trasformerà in realtà.

Batteria allo stato solido della Toyota

Domande & Risposte

1. Qual è il vantaggio principale di questa batteria rispetto a quelle agli ioni di litio? Il vantaggio più significativo è la sicurezza. Le batterie al litio, specialmente se danneggiate, possono sviluppare “dendriti”, delle escrescenze metalliche che causano cortocircuiti e possono portare a surriscaldamenti e incendi. Questa nuova tecnologia a stato solido con ioni idruro non presenta questo problema, rendendola intrinsecamente più sicura. Inoltre, utilizza l’idrogeno, l’elemento più abbondante nell’universo, aprendo potenzialmente a una filiera più sostenibile rispetto a materiali come il litio e il cobalto, la cui estrazione ha notevoli impatti ambientali e geopolitici.
2. Quando potremo vedere questa tecnologia nei nostri smartphone o nelle auto elettriche? È importante essere realisti: siamo ancora in una fase di prototipo di laboratorio. Sebbene i risultati siano estremamente promettenti, passeranno diversi anni prima che questa tecnologia possa essere prodotta su larga scala e commercializzata. Saranno necessari ulteriori studi per migliorare la densità energetica, la durata dei cicli di vita e per ottimizzare i processi produttivi. realisticamente, si parla di un orizzonte temporale di almeno 5-10 anni, se non di più, prima di vederla in applicazioni di consumo.
3. Cosa significa “batteria a stato solido” e perché è importante? Una batteria a stato solido è un dispositivo in cui sia gli elettrodi (positivo e negativo) sia l’elettrolita sono materiali solidi. Nelle batterie tradizionali agli ioni di litio, l’elettrolita è un liquido organico infiammabile. La transizione allo stato solido è considerata il “Santo Graal” della tecnologia delle batterie perché offre enormi vantaggi: maggiore sicurezza (eliminando il liquido infiammabile), una potenziale maggiore densità di energia (più energia in meno spazio) e una vita utile più lunga. Questa batteria a ioni idruro è un esempio di questa promettente tecnologia.