Batterie al potassio metallico: nuovo rivale per il litio

Le batterie agli ioni di litio sono la migliore soluzione tecnologica sul mercato per automotive e dispositive elettronici. Le batterie al potassio metallico sembrano essere però una promettente alternativa.

Litio, ma quanto mi costi?

Tra i tanti limiti delle batterie agli ioni di litio vi sono sicuramente i costi. Il litio è un metallo piuttosto raro e localizzato in poche zone della Terra. Secondo i dati dello US Geological Survey (USGS) le riserve mondiali, per le quali è tecnologicamente ed economicamente fattibile l’estrazione, si attestano intorno alle 17 milioni di tonnellate. L’83% di queste riserve è distribuito tra Argentina, Australia, Cile e Cina.

Batterie al potassio metallico

Le riserve mondiali di potassio ammontano a circa 250 miliardi di tonnellate di K₂O equivalente. Il potassio è quindi più abbondante del litio. Questo potrebbe risolvere i problemi legati ai costi se le batterie al potassio garantissero prestazioni paragonabili alle batterie li-ion.

In un lavoro pubblicato in Proceedings of the National Academy of Sciences, un gruppo di ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute hanno dimostrato di poter ottenere batterie al potassio.

Nelle batterie agli ioni di litio, durante la fase di carica e scarica, gli ioni di litio viaggiano da catodo ad anodo e viceversa. Se si sostituisse il catodo a base di litio con un catodo a base di potassio, però, le performance della batteria calerebbero drasticamente. Il potassio è un elemento dal raggio atomico più ampio rispetto al litio. Questo lo rende un elemento più grande e pesante e, di conseguenza, energeticamente meno denso per queste applicazioni. Se però anche l’anodo viene sostituito con un elettrodo a base di potassio, le performance di questa batteria possono essere paragonate a quelle al litio.

Le dendriti: limite delle batterie metalliche

Tutte le batterie basate su un elettrodo metallico hanno mostrato performance promettenti ma un grande limite: la formazione di dendriti metalliche. Le dendriti sono degli accumuli di depositi metallici all’anodo. Il fenomeno di formazione delle dendriti è presente anche nelle batterie al potassio metallico. Se queste dendriti crescono in maniera incontrollata, possono perforare la membrana che separa gli elettrodi (il separatore) e cortocircuitare il dispositivo.

Il c-rate: problema e opportunità

Per comprendere la loro soluzione al problema è necessario introdurre il concetto di c-rate [h^-1]. Questa grandezza è definita come il rapporto tra la corrente che attraversa la batteria e la corrente teorica attraverso la quale la batteria erogherebbe tutta la sua capacità in una sola ora. Può essere immaginato come un parametro che indica la “velocità” con la quale la batteria è caricata/scaricata.

Facendo operare la batteria ad elevati c-rate in fase di carica e scarica, la temperatura aumenta. È il Battery Management System (BMS) che si occupa di garantire un ottimale thermal management del dispositivo. Se la temperatura è, però, controllata in maniera opportuna, essa è in grado di attivare il processo di contro-diffusione superficiale degli atomi di potassio che letteralmente si staccano dalle dendriti che, di conseguenza, vengono eliminate.

Questo metodo funziona anche per le batterie al litio metallico, ma il calore da fornire molto maggiore.

Le batterie al potassio metallico si rivelano quindi, potenzialmente, più economiche e sicure, delle tradizionali batterie al litio.