Tecnologia

Lo scienziato Stefan Freunberger, con un team di ricercatori dell'Università Tecnologica di Graz, ha per la prima volta individuato le risorse necessarie ad estendere la durata delle batterie a litio-ossigeno

Stefan Freunberger, ricercatore dell'Istituto di Tecnologie Chimiche dei Materiali dell'Università Tecnologica di Graz, ha scoperto alcune somiglianze fra l'invecchiamento delle cellule negli organismi viventi e quello nelle batterie. In entrambi i casi l'ossigeno cosiddetto singoletto altamente reattivo è responsabile del processo di invecchiamento. Esso viene prodotto durante i processi di caricamento e scaricamento nelle batterie litio-ossigeno e negli ultimi anni ha costituito il focus principale della ricerca di Freunberger. Nelle celebri riviste Nature Communications e Angewandte Chemie i ricercatori di Graz spiegano per la prima volta come minimizzare gli effetti negativi dell'ossigeno singoletto.
 
Mediatori redox stabili: la chiave dell'efficienza energetica - In Nature Communications Freunberger, in collaborazione con ricercatori coreani e statunitensi, descrive l'influenza dell'ossigeno singoletto sui cosiddetti mediatori redox, che possono essere ridotti e ossidati reversibilmente. Questi mediatori sono essenziali per il flusso di elettroni fra il circuito esterno e gli accumulatori di carica nelle batterie ad ossigeno e ne determinano in modo significativo la performance. Il principio dei mediatori è molto simile ad un processo naturale, poiché nelle cellule viventi i mediatori assolvono diverse funzioni, ad esempio completano la conduzione degli stimoli e la produzione di energia.
 
"Fino ad oggi - spiega Freunberger - si è dato per certo che i mediatori redox venissero disattivati da superossidi e perossidi, ma la nostra ricerca dimostra che in realtà è l'ossigeno singoletto ad esserne responsabile". Grazie ai calcoli sulla teoria della densità funzionale, gli scienziati hanno potuto spiegare per quale motivo alcune classi di mediatori siano più resistenti all'ossigeno singoletto rispetto ad altre. Si è riusciti anche ad identificare le modalità di attacco più probabili da parte dell'ossigeno singoletto. "Queste conoscenze - continua Freunberger - aiutano a sviluppare mediatori redox nuovi e stabili. Più i mediatori sono stabili, più la batteria sarà efficiente, reversibile e duratura."
 
Il DABCOnium è un'efficace protezione contro l'ossigeno singoletto - Oltre a disattivare i mediatori redox, l'ossigeno singoletto è anche responsabile di quelle specifiche reazioni chimiche che riducono la vita e la carica delle batterie. A tal proposito, Freunberger ha trovato risposta nella biologia: "Nelle cellule viventi un enzima chiamato superossido dismutasi previene la formazione dell'ossigeno singoletto, e nei miei esperimenti ho utilizzato il DABCOnium, un sale specifico dl nitrogeno organico composto DABCO". Si tratta di un elettrolito additivo molto più stabile all'ossidazione rispetto agli smorzamenti conosciuti in precedenza, ed è compatibile con il litio sugli elettrodi negativi. Per la prima volta Freunberger è riuscito a definire il caricamento di cellule litio-ossigeno completamente libere da reazioni secondarie.
 
Tuttavia, l'ossigeno singoletto non rappresenta un problema solo nelle batterie ad ossigeno, ma anche nei recenti sviluppi delle batterie a ioni di litio, come ha dimostrato Freunberger l'anno scorso. Il prossimo passo, per Freunberger, è unire i risultati e sviluppare una nuova classe di mediatori. Da un lato potrebbero rivelarsi particolarmente resistenti agli attacchi dell'ossigeno singoletto, ma potrebbero anche estinguersi da soli e scontrarsi in modo efficiente. In tal modo, la vita delle batterie litio-ossigeno verrebbe drasticamente estesa e l'efficienza energetica ne sarebbe massimizzata.

L'Austria è terra d'innovazione e si colloca al secondo posto in Europa tra i Paesi che maggiormente investono in R&S: la spesa totale in Ricerca rispetto al Pil è passata dall'1,53% (1994) all'attuale 3,19%. Le società austriache ed estere contribuiscono a circa la metà degli investimenti R&D. A loro volta, le aziende la cui casa madre non risiede in Austria contribuiscono per un ulteriore 50% del totale. Una delle ragioni di questa forte crescita è il contributo alle spese in ricerca tramite credito d'imposta, che in Austria nel 2018 è cresciuto fino al 14%. Oggi l'Austria è tra i pochi Paesi europei che hanno superato l'obiettivo strategico, stabilito dall'Ue, del 3% d'investimento in R&S entro il 2020.