Ricordate quando internet viaggiava a 56k e impiegavamo mezz’ora per scaricare una canzone? Poi è arrivata la banda larga e tutto è cambiato. Lo stesso salto epocale sta per accadere nel mondo delle batterie, grazie ad un materiale cristallino chiamato ossido di niobio e tungsteno (NbWO), che degli scienziati cinesi hanno “convinto” a far scorrere gli ioni di litio a velocità mai viste prima.
La scoperta, pubblicata su Nature Communications, rivela qualcosa di insolito: quando le batterie si caricano velocemente, la struttura atomica del materiale diventa più disordinata, e questo (sorprendentemente) accelera il movimento degli ioni invece di rallentarlo. Una ricarica completa in 45 secondi non è più fantascienza.
La corsa contro il tempo delle batterie tradizionali
La velocità di ricarica delle batterie dipende fondamentalmente dalla capacità degli ioni di litio di muoversi attraverso i materiali. Nelle batterie convenzionali, questi microscopici viaggiatori devono farsi strada in un labirinto di strutture cristalline che oppongono resistenza, creando un fastidioso collo di bottiglia. Pensate a un’autostrada in ora di punta, con migliaia di pendolari bloccati che avanzano a passo d’uomo.
Questo rallentamento obbliga a tempi di ricarica estenuanti e limita drasticamente la velocità con cui possiamo immagazzinare energia. Finché gli ioni restano intrappolati in questo traffico atomico, le nostre batterie continueranno a impiegare ore per ricaricarsi completamente. Una situazione che tutti abbiamo vissuto, guardando con ansia la percentuale di carica del nostro smartphone salire con esasperante lentezza.
Per questo il niobio, con la sua capacità di creare autostrade molecolari dove prima c’erano solo sentieri tortuosi, sta assumendo importanza.
Niobio: il paradosso del disordine atomico
Utilizzando microscopi elettronici avanzati, Yaqing Guo e Yifei Yuan dell’Università di Wenzhou hanno osservato qualcosa di sorprendente: la struttura cristallina dell’ossido di niobio e tungsteno (NbWO) risponde in modo diverso alle diverse velocità di ricarica. E qui, come vi anticipavo, arriva la parte più interessante: durante la ricarica lenta, gli ioni si dispongono ordinatamente, causando distorsioni strutturali; ma ad alte velocità di ricarica, si distribuiscono più casualmente.
Abbiamo combinato microscopia elettronica avanzata in situ con capacità di imaging ad alta risoluzione atomica, che ha fornito la possibilità di guardare in profondità nella scienza dei materiali su scala estremamente piccola, rimasta poco chiara per molto tempo.
Questo disordine riduce le distorsioni del reticolo e migliora la mobilità degli ioni di litio. Controintuitivo, vero? È come se una folla che si muove liberamente fosse più veloce di una che segue rigorosamente le corsie.
L’ingegneria atomica incontra il machine learning
Per ottimizzare il materiale, i ricercatori hanno identificato la sua principale limitazione: gli ioni di litio preferiscono entrare attraverso “facce” specifiche della struttura cristallina. Usando il machine learning per analizzare quasi 84.000 potenziali materiali, hanno selezionato l’ossido di grafene ridotto come rivestimento superficiale per guidare gli ioni di litio verso questi punti di ingresso preferiti.
Il risultato? Il materiale modificato, designato come rGO/Nb₁₆W₅O₅₅, si è caricato a 80C, raggiungendo 116 milliampere-ora per grammo in soli 45 secondi. Per darvi un’idea, le batterie agli ioni di litio commerciali tipicamente si caricano a ritmi tra 1C e 2C, richiedendo 30-60 minuti per una carica completa.
Nei test su prototipi, le batterie costruite con questo materiale hanno mantenuto il 77% della loro capacità iniziale dopo 500 cicli di ricarica rapida. Non è solo questione di velocità: il materiale ha dimostrato un’alta densità energetica, fornendo fino a 406 wattora per chilogrammo.
Certo, restano ostacoli tecnici significativi prima della commercializzazione. Ad esempio, i vantaggi diminuiscono quando lo spessore dell’elettrodo corrisponde alle specifiche delle batterie commerciali. Ma la strada è tracciata: l’ingegneria su scala atomica può superare le limitazioni esistenti della velocità di ricarica. Un approccio che si applica non solo allo sviluppo dei veicoli elettrici, ma a qualsiasi tecnologia che richieda un rapido immagazzinamento e rilascio di energia.
E pensare che tutto è iniziato osservando il comportamento degli atomi in un cristallo di niobio. Dal “caos”, a quanto pare, vengono le cose migliori!
