La sempre vivace attività di ricerca nell'ambito delle batterie si sta concentrando negli ultimi periodi su soluzioni litio-aria che sono in grado di promettere, almeno sulla carta, un sensibile incremento dell'energia stoccata a parità di peso portando ad esempio alla realizzazione di automobili elettriche dall'elevata autonomia. Poter mantenere questa promessa, trasformandola in realtà pone però i ricercatori dinnanzi a sfide piuttosto difficili, principalmente per la necessità di sviluppare materiali migliori e dalla maggior durata nel tempo per gli elettrodi delle batterie e di migliorare i cicli di carica-scarica che una batteria può sostenere.
Un gruppo di ricercatori del MIT sta lavorando ad una tecnica che potrebbe aiutare a risolvere qualcuno di questi problemi, utilizzando virus geneticamente modificati per la produzione dei nanocavi sui quali si basa la successiva realizzazione degli elettrodi della batteria. Il lavoro, portato avanti dal dottorando Dajyun Oh e dai professori Angela Belcher e Yang Shao-Horn, viene illustrato in una pubblicazione su Nature Communication. La chiave del lavoro è stato l'incremento della superficie di scambio del nanocavo, aumentando quindi l'area dove avvengono le reazioni elettrochimiche che hanno luogo nella fase di carica o scarica della batteria.
Utilizzando una versione geneticamente modificata del virus M13 (già impiegato per altri scopi in altri progetti di ricerca tecnologica), capace di catturare le molecole dei metalli dall'acqua e legarle in forme strutturate, i ricercatori sono stati capaci di realizzare un array di nanocavi. Nello specifico è stato usato ossido di manganese per la realizzazione dei cavi, un materiale che ha già mostrato ottime proprietà per la realizzazione delle batterie litio-aria. A differenza dei normali metodi di produzione chimica, utilizzando questo metodo è stato possibile realizzare nanocavi ruvidi, incrementando così la superficie.
La professoressa Belcher osserva che questo processo di prduzione assomiglia alla crescita della conchiglia di un abalone, che raccoglie il calcio presente nell'acqua di mare e lo deposita in una struttura solida. "L'incremento dell'area di superficie possibile con questo metodo offre un grande vantaggio nel tasso di carica e scarica delle batterie litio-aria. Il processo ha altri vantaggi potenziali. A differenza dei convenzionali metodi di produzione, che implicano temperature elevate e sostanze pericolose, questo processo può essere condotto a temperatura ambiente e impiegando una base d'acqua" ha spiegato Belcher.
L'impiego dei virus inoltre consente la realizzazione di strutture tridimensionali di cavi incrociati tra loro, che offrono così una maggior stabilità all'elettrodo. Nella parte finale del processo si aggiunge una piccola quantità di palladio che incrementa sensibilmente la conduttività elettrica dei nanocavi e consente inoltre la catalisi delle reazioni che hanno luogo nelle fasi di carica e scarica. Lo sviluppo di queste batterie usando metalli puri o altamente concentrati come elettrodi è già stato affrontato da altri gruppi di ricerca, ma il nuovo processo consente di ridurre drasticamente la quantità di materiale costoso necessaria.
Tutte queste modifiche hanno la potenzialità di realizzare una batteria caratterizzata da una densità di energia di due o tre volte superiore a quella disponibile con le migliori batterie agli ioni di litio oggi in circolazione. Belcher sottolinea che si tratta di una attività di ricerca ancora agli albori e che sono comunque necessari altri passi per la realizzazione di una batteria litio-aria che sia adatta alla produzione commerciale. Il lavoro portato avanti dai ricercatori del MIT si è concentrato attualmente solo sulla produzione di un singolo componente, il catodo. Sono quindi necessarie altre attività di ricerca per lo sviluppo di altre parti essenziali come l'anodo e l'elettrolita.
I ricercatori spiegano inoltre che sebbene questi esperimenti utilizzino i virus per l'assemblaggio molecolare, è possibile che una volta individuati i migliori materiali per la costruzione di queste batterie si possano adottare metodi di produzioni più convenzionali e meglio adatti alla portata di una produzione in volumi commerciali.
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