Le batterie a litio-ossigeno potrebbero essere la tecnologia giusta per molte applicazioni future, stando ai risultati di un gruppo di ricercatori dell'Università di Cambridge guidati da Clare Grey, che hanno realizzato un prototipo dotato di una maggiore capacità, di una maggiore efficienza energetica e di una maggiore stabilità rispetto ai dispositivi esistenti. Secondo quanto riportato in un articolo su “Science”, inoltre, la nuova batteria è molto affidabile, dato che può affrontare senza problemi circa 2000 cicli di ricarica.

Nella loro forma più semplice, le batterie sono costituite da tre componenti: un elettrodo negativo, un elettrodo positivo e un elettrolita. Nelle batterie a ioni litio che sono utilizzate attualmente per alimentare computer portatili, smartphone e molti altri dispositivi di elettronica di consumo, l'elettrodo negativo è realizzato in grafite, mentre quello positivo è realizzato con un ossido metallico, come per esempio ossido di litio-cobalto; l'elettrolita è un sale di litio disciolto in un solvente organico.

L'azione della batteria dipende dal movimento degli ioni litio tra gli elettrodi. Le batterie a ioni litio sono leggere, ma la loro capacità si deteriora rapidamente con il tempo. Inoltre a causa della loro densità di energia relativamente bassa, necessitano di una frequente ricarica.

Nell'ultimo decennio, la ricerca ha reso disponibile un'alternativa molto promettente: le batterie a litio-ossigeno, dotate di una densità di energia estremamente elevata, che in linea teorica può raggiungere valori paragonabili a quelli della benzina, cioè 10 volte superiori alle batterie a ioni litio convenzionali, con un peso e un costo che sarebbero entrambi ridotti dell'80 per cento. I prototipi hanno però dimostrato spesso una bassa efficienza e reazioni chimiche indesiderate. Gli ostacoli per arrivare a una batteria che possa essere lanciata sul mercato, di conseguenza, sono ancora molti.

Il prototipo di Grey e colleghi utilizza come elettrolita idrossido di litio invece di perossido di litio. Con l'aggiunta di additivi chimici come acqua e ioduro di litio, la batteria è soggetta a un numero di reazioni chimiche indesiderate nettamente inferiore, con il risultato di cicli di carica e scarica molto più stabili.

Un altro miglioramento decisivo è stato ottenuto usando un elettrodo realizzato in grafene, cioè un foglio dello spessore di un atomo costituito da soli atomi di carbonio, che ha permesso di ridurre il gap di tensione tra carica e scarica, il cui valore è inversamente proporzionale all'efficienza, a soli 0,2 volt, equivalente a un'efficienza energetica del 93 per cento, contro valori di 0.5-1 volt, delle batterie a ioni litio.

Un inconveniente ancora da superare è il fatto che i cicli di carica e di scarica del prototipo possono essere effettuati in un'atmosfera di ossigeno puro, perché il biossido di carbonio e l'azoto presenti nell'aria possono danneggiare l'elettrodo metallico.

“Abbiamo compiuto un progresso significativo per questa tecnologia che apre nuove prospettive di ricerca: non abbiamo ancora risolto tutti i problemi inerenti queste reazioni chimiche, ma i nostri risultati mostrano la via per ottenere un dispositivo di uso pratico”, ha spiegato Grey.