Il felice incidente che apre la strada per incredibili batterie del futuro

Chi non vorrebbe un telefono sottile, che rimane carico per giorni e mantiene la durata della batteria per anni? Ma le batterie grosse e che non durano nel tempo zavorrano molte tecnologie, al di là dell’elettronica quotidiana, dalle auto elettriche alle centrali fotovoltaiche ed eoliche.

La nanotecnologia ha mostrato sprazzi di una soluzione: le batterie a nanofili, tuttavia ci sono ancora grossi ostacoli da superare. Anzitutto, questi apparecchi futuristici sono ancora molto fragili e inaffidabili. Ma, grazie al lavoro di Mya Le Thai—dottoranda nel laboratorio del Prof Reginald Penner all’Università della California-Irvine—ora abbiamo un metodo promettente per farle durare virtualmente una vita.

Il nocciolo del funzionamento di una batteria è usare reazioni chimiche per trasferire elettricità tra pezzi di materiale conduttore (gli elettrodi) e una soluzione elettrolitica (essenzialmente, un liquido in cui sono disciolti dei sali). Al posto degli elettrodi, le batterie ai nanofili usano migliaia di fili conduttori, ognuno più sottile del filo di una ragnatela. Perciò le reazioni chimiche hanno un sacco di posto a disposizione, anche in piccole batterie. “Il vantaggio principale dei nanofili per lo stoccaggio dell’energia è l’incredibile rapporto superficie:volume, che permette di ottenere un’altissima potenza (ovvero corrente)”, spiega Penner.

Ma, aggiunge, questa potenza ha un costo: “Questa enorme superficie amplifica anche l’effetto di tutti quei processi chimici che erodono la superficie dei fili”. Infatti le reazioni chimiche che danno energia alla batteria sono le stesse che ne consumano gli elettrodi. Così una batteria può passare tra essere scarica e carica solo un certo numero di volte (qualche centinaio di solito) prima di perdere capacità. Che è poi il motivo per cui, ad esempio, i cellulari restano carichi sempre meno man mano che invecchiano.

Per i nanofili è anche peggio: non solo sono più soggetti alla corrosione, come diceva Penner, ma l’elettricità che gli passa attraverso li sforza molto più di quanto farebbe con massicci elettrodi. Perciò, dopo qualche migliaio di cicli di carica-scarica, i fili sono consumati e corrosi e si spaccano. Quando succede, la batteria è completamente inutilizzabile.

Thai stava lavorando su nanofili d’oro rivestiti di ossido per fare dei condensatori, aggeggi in un certo modo simili a batterie con due poli positivi, che immagazzinano carica elettrica senza usare reazioni chimiche. Perciò possono essere caricati e scaricati molto rapidamente. Con sua (e di tutti) sorpresa, gli apparecchi con cui lavorava Thai duravano centinaia di volte più a lungo del normale. Racconta Penner: “Eravamo entrambi esterrefatti quando ha iniziato a provarli e la capacità non è diminuita dopo 10mila cicli, poi 20mila, e infine (settimane dopo) 100mila cicli. A quel punto abbiamo smesso, sebbene i condensatori non avessero mostrato nessuna perdita di carica. Magari l’avessimo programmato!”

I ricercatori hanno riportato la loro scoperta in un articolo pubblicato su ACS Energy Letters. La chiave sembra fosse usare un gel invece di liquido per la soluzione elettrolitica, ma loro stessi ammettono di non avere le idee molto chiare sul perché. Secondo loro, il gel ridurrebbe lo stress meccanico sui fili e, allo stesso tempo, preverrebbe la corrosione: “Pensiamo faccia entrambe le cose”, dice Penner, “il gel ammorbidisce o plastifica il rivestimento, prevenendo le rotture, ma sembra anche rallentare la corrosione in un modo che non abbiamo ancora ben capito”.

Secono Penner, servirà ancora molto lavoro per valutare la fattibilità di batterie basate sui nanofili. Soprattutto, non è ancora chiaro come collegare la miriade di microscopici fili ai due poli della batteria. E usare fili rivestiti, come hanno fatto loro, va bene in laboratorio ma non sarebbe fattibile a livello industriale.

Ciononostante, lo studio mostra che i nanofili possono davvero essere la strada per incredibili batterie leggere e durevoli!

 

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Foto copertina: Steve Zylius/UCI

Attraverso la foresta

Secondo i ricercatori del MIT, passando un liquido per una microscopica “foresta” di nanotubi di carbonio, si possono filtrare molecole o virus altrimenti difficili da individuare.

“Pensate ad ogni nanotubo come rivestito concentricamente di diversi strati di polimeri—dice Brian Wardle, a capo del progetto—Disegnandoli in sezione, sarebbero come gli anelli di un albero”.

Questi rivestimenti aiutano a catturare alcune molecole nel fluido che viene fatto passare attraverso la foresta. Possono anche essere progettati appositamente per catturare selettivamente una particolare molecola.

I nanotubi di carbonio sono molto popolari di recente, essendo buoni conduttori, leggerissimi ed estremamente resistenti. Assomigliano un po’ ad una rete arrotolata, con un sacco di spazio vuoto. Per questo, una volta messi in piedi, sono ottimi per filtrare liquidi.

Secondo Wardle: “Così si può far passare molto fluido, scartando i milioni di particelle che non servono e acchiappando quella che ci interessa”.

Foto: CC0 Dan Sark, via unsplash.

Back in black

Il futuro dell’elettronica è nero. Nero come il fosforo che, secondo uno studio, permetterebbe di costruire processori estremamente efficienti.

Chiunque se ne sia stato comodo sul divano con un portatile sulle gambe si sarà accorto di quanto si scaldi. La temperatura dei processori, infatti, è un problema per tutta l’elettronica, dai supercomputer agli smartphone. Il fosforo nero potrebbe essere la soluzione.

Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory, negli Stati Uniti, hanno preparato fosforo nero in particolari nanostrutture (dette nanoribbons) ed hanno osservato che, spontaneamente, conduce elettricità lungo una direzione e calore lungo un’altra.

Questo comportamento estremamente inusuale—di solito elettricità e calore vanno a braccetto—dipende solo dalla forma dei cristalli nei nanoribbons. Secondo, Junqiao Wu, coordinatore dello studio, sfruttare questa proprietà permette di “gestire efficientemente il calore, ridurre le temperature ed aumentare le prestazioni dei chip”.

Foto: Circuit City 6, CC-BY-NC-ND Leo Lambertini, via Flickr. Some rights reserved.