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18 - ELETTRONICA OGGI 452 - MARZO 2016
COVERSTORY
le batterie potrebbero caricarsi a una velocità cir-
ca 100 volte superiore rispetto alle batterie a ioni
di litio tradizionali. Grazie a questa tecnologia uno
smartphone potrebbe caricarsi in 10 secondi. I na-
notubi al carbonio potrebbero essere già “all’ope-
ra” all’interno delle batterie di alcuni smartphone,
che sfruttano i vantaggi delle loro proprietà intrin-
seche (maggiore area superficiale, più elevata con-
duttività e migliore stabilità meccanica rispetto al
carbonio bulk – di matrice grossolana).
In linea generale i prototipi di batterie che utilizza-
no nanomateriali garantiscono maggiori densità di
energia rispetto alle attuali batterie in commercio,
ma i materiali sono costosi e processo di produzio-
ne è difficilmente trasferibile su scala industriale.
Batterie al litio: la prossima generazione
Le batterie litio-zolfo (Li-S) sfruttano gli sviluppi
in numerosi campi - materiali, elettrodi tridimen-
sionali e nanomateriali - per migliorare le odierne
batterie agli ioni di litio. Queste batterie sono ora
utilizzate nei veicoli elettrici ma l’obiettivo è ridur-
ne le dimensioni per consentirne l’uso in prodotti
mobili come gli smartphone. L’elettrodo negativo è
formato da litio mentre il catodo è formato da ossi-
do di litio (L2O2) in contatto con zolfo attivo. Questa
tecnologia è in grado di garantire un’elevata den-
sità di energia, 500 Wh/kg, contro i 200 Wh/kg per
una batteria a ioni di litio.
Le batterie Li-S si basano su una successione di
processi di solubilità. Duran-
te queste fasi lo zolfo è ridotto
per via elettrochimica, produ-
cendo polisolfuri sotto forma di
prodotti intermedi come Li2S8 ,
Li2S6 , Li2 S4 e Li2S2. La riduzio-
ne dello zolfo può avere luogo
solamente sulle superfici del
carbonio conduttivo. In queste
condizioni i polisolfuri si dis-
solvono nella soluzione elettro-
litica, lasciando lo zolfo restante
esposto nel carbonio condutti-
vo, in modo da consentire alla
riduzione di proseguire. Come
visibile in figura 2, i processi di riduzione generano
potenziali compresi tra 1,7 e 2,5V.
Il progetto (Advanced Lithium Sulphur Bat-
teries for Hybrid Electric Vehicle) finanziato dalla
comunità europea ha come obbiettivo lo sviluppo
di una batteria Li-S da 500 Wh/h (inizialmente per
applicazioni nei veicoli elettrici) entro il 2019.
Non solo batteria
Altre fonti promettenti per l’immagazzinamento
della potenza sono i supercondensatori e le celle
a combustibile. Un è un con-
densatore elettrochimico di elevata capacità. La
tipologia più diffusa è il condensatore a doppio
strato (DLC), che utilizza il carbonio e un elettrolita
organico facile da produrre. I dispositivi della
sono un esempio di conden-
satori DLC. I supercondensatori sono caratterizzati
da una capacità di immagazzinamento di energia
e da una densità di potenza nettamente superiori
rispetto ai condensatori tradizionali e rappresenta-
no una valida soluzione per applicazioni dove sono
previsti carichi impulsivi o di tipo burst. Uno dei
principali vantaggi dei supercondensatori è la ve-
locità di carica, che in teoria può essere di alcuni
secondi.
Nelle applicazioni pratiche il carica batteria limita
la corrente di carica per ragioni di sicurezza ma,
in ogni caso, il tempo di carica di un supercon-
densatore può essere misurato in minuti. Rispetto
alle batterie, i supercondensatori evidenziano due
svantaggi principali. Il primo è il range di tensione
compreso tra 2,5 e 2,7V, inferiore di quello delle
batterie a ioni di litio che va a 3,5 a 3,7V. Per otte-
nere tensioni più elevate è necessario connettere
parecchi supercondensatori in serie, operazione
che richiede un accurato bilanciamento della ten-
sione. Il secondo svantaggio è la bassa densità di
energia, che non supera i 10 Wh/g rispetto ai 200
Wh/kg di una batteria a ioni di litio.
Poiché la velocità di ricarica dei supercondensa-
tori è molto elevata, caratteristica particolarmente
utile nel caso dei veicoli elettrici, le attività di ri-
cerca sono focalizzate sull’aumento della densità
di energia.
Fig. 3 – Gli elettrodi accoppiati con grafene inciso via laser (LSG) tridimensionale
permettono di migliorare l’immagazzinamento dell’energia per unità di massa