All’inizio del XX secolo, le auto elettriche erano più diffuse di quelle a combustione negli Stati Uniti. Il limite principale era rappresentato dalle batterie al piombo di Thomas Edison, costose e con un’autonomia di appena 30 miglia. Edison immaginava il futuro nelle batterie al nichel-ferro, promettendo 100 miglia di autonomia, lunga durata e tempi di ricarica di sette ore. Tuttavia, i progressi del motore a combustione ebbero la meglio e la sua visione non si realizzò. Oggi, un team internazionale co-guidato da UCLA ha ripreso quell’idea, sviluppando batterie al nichel-ferro adatte a immagazzinare energia prodotta da impianti solari. Il prototipo realizzato si ricarica in pochi secondi e supera i 12.000 cicli di carica-scarica, equivalenti a oltre trent’anni di utilizzo quotidiano.
La natura come guida per la tecnologia
In breve, la tecnologia sfrutta nanocluster metallici, disposti su un materiale bidimensionale spesso un solo atomo, e pur essendo innovativa è sorprendentemente economica e semplice da produrre. Questa architettura unica aumenta enormemente la superficie disponibile per le reazioni chimiche, consentendo un’efficienza senza precedenti: quasi ogni atomo dei nanocluster partecipa alla ricarica e scarica, accelerando i tempi e aumentando la capacità della batteria.
“Passando dalle particelle più grandi a questi nanocluster estremamente piccoli, la superficie aumenta notevolmente“, ha affermato Maher El-Kady, coautore dello studio e ricercatore associato presso il dipartimento di chimica e biochimica
dell’UCLA. “Questo è un enorme vantaggio per le batterie. Quando le particelle sono così piccole, quasi ogni singolo atomo può partecipare alla reazione. Quindi, la carica e la scarica avvengono molto più velocemente, è possibile immagazzinare più carica e l’intera batteria funziona in modo più efficiente“.
Per lo sviluppo di questa tecnologia, i ricercatori si sono ispirati ai processi naturali, come la formazione delle ossa negli animali e dei gusci nei molluschi, dove le proteine fungono da impalcature per depositare minerali. Utilizzando proteine residue dalla produzione bovina, hanno creato nanocluster di nichel per l’elettrodo positivo e di ferro per quello negativo, ciascuno inferiore a 5 nanometri. In termini di paragone, sono così piccole che ci vorrebbero dai 10.000 ai 20.000 cluster per raggiungere lo spessore di un capello umano.
Per dare struttura alla batteria, i nanocluster sono stati combinati con ossido di grafene, un materiale bidimensionale, e sottoposti a trattamenti termici che hanno trasformato le proteine in carbonio, rimuovendo l’ossigeno e incorporando i metalli in un aerogel composto per il 99% da aria.
Applicazioni future e prospettive energetiche
Nonostante la velocità di ricarica e la durata eccezionale, la capacità di accumulo di questa batteria non raggiunge quella delle attuali batterie al litio, limitandone al momento l’uso nei veicoli elettrici. Tuttavia, la tecnologia sembra perfetta per immagazzinare energia rinnovabile, ad esempio quella prodotta dai pannelli solari durante il giorno, da immettere nella rete di notte, o per fornire backup ai data center.
“Poiché questa tecnologia potrebbe prolungare la durata delle batterie per decenni, potrebbe essere ideale per immagazzinare energia rinnovabile o per sostituirla rapidamente in caso di interruzione di corrente“, ha affermato El-Kady. “Ciò eliminerebbe le preoccupazioni relative all’aumento dei costi delle infrastrutture“.
I ricercatori stanno inoltre esplorando l’uso di altri metalli e di sostituti delle proteine bovine, come polimeri naturali più abbondanti ed economici, per facilitare una produzione su larga scala e rendere questa batteria di nuova generazione una risorsa stabile per l’energia sostenibile.
