La tecnologia delle batterie al litio è ormai entrata a far parte delle nostre vite da parecchio tempo ormai, che siano del primo tipo (usa e getta) o del secondo (ricaricabili), hanno ormai soppiantato quasi del tutto le vecchie pile alcaline. In effetti il litio è un elemento che se sfruttato in modo corretto permette di ottenere una notevole potenza e una grande concentrazione di energia, il che si traduce in alta corrente specifica e grande carica per unità di volume. Nello stesso spazio occupato da una pila alcalina normale, una pila al litio eroga molta più energia e per un tempo molto maggiore, la qual cosa la renderebbe la candidata perfetta per sostituire del tutto quelle tradizionali allo zinco-carbone, se non che il litio non è molto sicuro, nel senso che se la batteria viene utilizzata in modo corretto non dà problemi di sorta, ma purtroppo basta poco, ad esempio un guasto nella ricarica, temperature troppo alte, o anche un danno accidentale al corpo della batteria stessa per trasformare il miracolo della tecnologia in una specie di bomba incendiaria...
I motivi sono principalmente legati al fatto che queste batterie, che siano ricaricabili o meno, possono concentrare molta energia in poco spazio, ma anche dal fatto che il litio stesso, che la batteria sia carica o no, è un elemento molto reattivo, che può facilmente incendiarsi se viene esposto all'ossigeno dell'aria e all'umidità, causando incidenti anche gravi.
Intendiamoci, le batterie al litio sono stabili quando sono progettate e realizzate a regola d'arte, purtroppo però, vuoi per limitare i costi o perchè la resistenza dei materiali non è altissima, oppure perchè i caricabatterie non sono regolati a dovere, possono rappresentare un pericolo. Inoltre un altro difetto è lageto al costo stesso della batteria, decisamente più alto rispetto a una classica alcalina o zinco-carbone. Il litio stesso poi, se non viene smaltito correttamente, non è affatto ecologico e può facilmente inquinare terra ed acqua.
Da qui il tentativo della ricerca tecnologica, di rimpiazzare la tecnologia del litio con qualcosa di più sicuro e meno inquinante, che abbia prestazioni paragonabili a quelle del litio ma che utilizzi elementi più stabili e meno tossici, che possano essere riciclati facilmente e che non creino troppi problemi in caso vengano dispersi nell'ambiente. Generalmente l'unica tecnologia che permette di ottenere densità di energie e potenze sufficientemente alte si serve dei metalli alcalini più semplici, litio appunto, ma anche sodio, potassio, cesio, magnesio... Ecco, appunto, il magnesio!
Il magnesio è l'unico e sottolineo L'UNICO metallo alcalino a basso peso specifico e basso numero atomico ad essere perfettamente stabile a temperatura ambiente e a non reagire in modo violento se messo a contatto con l'acqua e l'aria atmosferica. Certo, essendo un metallo alcalino reagisce sempre con l'ossigeno e anche con l'acqua, ma in questo caso, se non viene riscaldato fino al punto di fiamma, l'unico effetto osservabile è la formazione di uno strato passivo di ossido e nulla più, sicuramente un fenomeno molto meno violento di quello osservabile tra l'acqua e il litio, oppure addirittura pericoloso come quello tra l'acqua e il sodio o il potassio...
La ricerca quindi si sta concentrando proprio sul metodo più efficiente per sfruttare il magnesio come medium per l'accumulo della carica elettrica. Molti tentativi sono stati fatti in questo senso, ma il problema è che non si può indurre il magnesio a rilasciare i propri ioni come si farebbe col litio o gli altri metalli alcalini, perchè il magnesio è molto meno propenso a solubilizzarsi nelle soluzioni non acquose, eh si, perchè l'unico modo per evitare la dissociazione elettrolitica dell'acqua, con la tipica formazione di idrogeno, che va assolutamente evitata, è quella di usare solventi non acquosi e aprotici, cioè che non rilasciano idrogeno libero. Attualmente l'unico modo per distaccare ioni di magnesio dal catodo è quello di farlo reagire con un altro elemento, che aiuti la dissoluzione del metallo garantendo nel contempo la reversibilità della reazione, ovvero la possibilità di far tornare il magnesio in forma metallica pura e potere quindi ripetere il processo.
Da qui parte la mia sperimentazione, che si prefigge appunto di dissolvere un catodo in magnesio puro facendolo reagire con un elemento che in soluzione acquista una carica negativa. Nella fatispecie ci sono solo due elementi adatti allo scopo, quelli che in chimica vengono definiti "alogeni". Uno è un gas, lo conoscete tutti, è il Cloro. L'altro alogeno è un solido a temperatura ambiente e si tratta dello Iodio. Il cloro non è facile da trattare, proprio perchè essendo un gas tende a formare molecole biatomiche libere e rischiare di originare fenomeni di aumento della pressione interna della batteria, esattamente come farebbe l'idrogeno, quindi assolutamente da evitare. Per lo Iodio invece è diverso, proprio perchè in condizioni di temperatura e pressione normali è solido.
La reazione tra Magnesio e Iodio produce Ioduro di Magnesio, un composto ionico biancastro relativamente non tossico anche ovviamente non va ingerito nè maneggiato a mani nude. Durante la reazione il Magnesio si stacca dal catodo rilasciando due elettroni, quindi il doppio di quelli rilasciati dal litio, dal sodio e dal potassio. Inoltre dall'anodo, durante la dissoluzione dello Iodio, viene sottratto un elettrone per ogni ione di Iodio che se ne distacca e anche qui, dovendo neutralizzare due cariche positive per ogni atomo di magnesio verranno sottratti all'anodo due ioni, perchè ogni atomo di Iodio può traportare un solo elettrone, quindi si distaccheranno dal catodo due ioni di Iodio per ogni ione Magnesio.
Quindi ora abbiamo due elementi chimici certi da utilizzare per questo tipo di batterie, Iodio e Magnesio. Ma come sappiamo, in quasi tutte le batteria commerciali devono essere presenti 4 elementi principali per poter funzionare correttamente, ovvero: 1- Catodo (nel nostro caso il Magnesio) 2- Anodo (nel nostro caso lo Iodio) 3- Solvente 4- Separatore
Come si diceva prima, non si può usare solventi acquosi, cioè contenenti acqua, per portare in soluzione il magnesio e lo iodio, perchè inevitabilmente durante il processo elettrolitico l'idrogeno dell'acqua si separerebbe dalla molecola dell'acqua stessa, andando a raccogliersi sul catodo durante il processo di ricarica della batteria, formando idrogeno in forma gassosa e quindi provocando un aumento rapido della pressione interna del dispositivo e rischiando di farlo esplodere. Dobbiamo quindi pensare a un solvente aprotico, che come dicevo prima, non deve rilasciare atomi di idrogeno. Solventi di questo tipo sono già ampiamente conosciuti e usati nel campo degli accumulatori proprio nelle batterie al litio perchè non reagiscono col metallo e sono capaci di trasportare, atomo per atomo, tutti gli ioni del metallo fino all'anodo. Di questi solventi ce ne sono diversi e in queste batterie vengono sempre miscelati in diverse proporzioni a seconda del tipo di batteria. uno di questi è il Carbonato di Propilene che oltre ad essere fortemente polare (e quindi adattissimo a lavorare con composti ed elementi trasportatori di carica elettrica) può essere sintetizzato industrialmente con un metodo che assorbe la CO2, il che, a detta degli esperti del settore, è molto interessante dal punto di vista ecologico. Questo solvente inoltre è esso stesso biodegradabile e quindi due volte più interessante di altri per questa utilizzazione. Purtroppo il Carbonato di Propilene non è molto bravo a disciogliere lo Iodio elementare, quindi bisognerebbe trovare un altro solvente più adatto, magari da usare in combinazione con questo in modo da ottenre una miscela adatta allo scopo.
Esiste a questo proposito un solvente di origine naturale, che viene estratto come sottoprodotto della lavorazione della carta (ma che ovviamente può essere sintetizzato direttamente), un composto assolutamente sicuro, tanto da venire usato come additivo in diversi cosmetici e persino prodotti farmaceutici, ovviamente ecologico e che ha la simpatica capacità di sciogliere grandissime quantità di Iodio elementare, rapidamente e completamente. E' talmente bravo in questo da riuscire a sciogliere ben oltre 100 grammi di Iodio elementare per ogni 100 ml di soluzione. Questo solvente è il DMSO, Dimetilsolfossido.
Ho già fatto alcuni test di solubilità dello Iodio nel DMSO e posso confermare che è davvero prodigioso in questo senso, non appena i granuli di iodio vengono immersi nel DMSO iniziano subito sciogliersi, colorando la soluzione di un rosso cupo. Nei prossimi giorni tenterò di miscelare DMSO e Carbonato di Propilene nelle giuste proporzioni. Vi saprò dire il risultato dei test.
Dunque, siccome nei giorni scorsi sono riuscito a procurarmi sia lo Iodio che gli altri materiali e sostanze ho fatto qualche test. In una provetta ho sciolto un grammo circa di Iodio elementare in una miscela di DMSO, una volta che tutto lo Iodio s'è sciolto ho allungato la soluzione con del Carbonato di Propilene, che sono riuscito a trovare dopo non poca difficoltà, tramite un sito di restauro. Una volta pronta la soluzione ho avvolto una barretta di magnesio puro con un paio di giri di carta perforata speciale, al di sopra della quale ho avvolto un altro paio di strati di un sottilissimo tessuto in fibra di carbonio, che funge da anodo. Non ho utilizzato la grafite perchè purtroppo il Carbonato di Propilene, pur essendo un solvente eccellente per questo tipo di applicazioni, ha lo sgradevole difetto di sfaldare gradualmente gli strati di grafite, rischiando di cortocircuitare la batteria. La fibra di carbonio invece è molto più robusta e non si deteriora tanto facilmente. L'unico problema è che la f.d.c. non raccoglie molti ioni, ma per un test preliminare va bene lo stesso. Una volta terminata la costruzione del nucleo della batteria l'ho immerso lentamente nella miscela di solventi+iodio, assicurandomi che la carta si imbibisse completamente. A questo punto ho collegato un morsetto a coccodrillo su un'estremità della barretta di magnesio e l'altro a un lembo di tessuto in f.d.c. che ho lasciato fuoriuscire dalla provetta, poi ho collegato un estremità dei cavetti ai morsetti e l'altra a un multimetro digitale. Non mi aspettavo a dire il vero alcun voltaggio nè tantomeno un passaggio di corrente perchè teorizzavo che la batteria dovesse essere prima caricata, invece la lettura mostrava un voltaggio di 1,45 volt, probabilmente lo iodio aveva iniziato ad attaccare il magnesio e la reazione doveva essere per forza di tipo ossidativo perchè altrimenti non si spiega questa differenza di potenziale. Al catodo era presente una polarità negativa, segno che gli ioni di magnesio si stavano effettivamente staccando dal metallo, lasciando sul catodo i due elettroni di ionizzazione, quindi si stava formando ioduro di magnesio che se ne andava in soluzione all'interno della miscela di solventi. Nessun precipitato granuloso, quindi significa che le molecole di ioduro restano solubilizzate perfettamente, il che è un'ottima notizia perchè significa che in fase di ricarica è possibile scindere nuovamente e completamente il magnesio dallo iodio, senza formazione di dendriti. Ma la sorpresa doveva ancora arrivare, infatti non appena ho cercato di misurare l'eventuale passaggio di corrente il multimetro misurava ben 20 mA e invece di diminuire col tempo il valore stava lentamente aumentando! Si insomma, finalmente un risultato incoraggiante e una buona via da seguire!
Forse essere così eccitato da valori di corrente così apparentemente bassi vi sembrerà sicuramente esagerato, ma dovete considerare che la superficie di magnesio a contatto con l'elettrolita era davvero poca in confronto alle batterie al litio, in queste ultime infatti il catodo di litio non ha la forma di una barretta, bensì si tratta di una lunga e sottile striscia di litio metallico alta circa 4 centimetri e lunga ben 25 centimetri, il che espone all'elettrolita molta più superficie e quindi muove molta più corrente nello stesso tempo.
Nel prossimo test voglio effettuare prove di conduzione sull'elettrolità sciogliendo lo Iodio prima in DMSO e poi in Carbonato di Propilene, separatamente, per vedere cosa cambia nell'efficienza della batteria. Se il test eseguito usando solo DMSO dovesse mostrare maggiore efficienza di conduzione allora potrò utilizzare la grafite al posto della fibra di carbonio, anche se per questo sistema di accumulo, che è molto diverso da quello del litio, potrei tranquillamente continuare a utilizzare la f.d.c. indifferentemente. L'unico difetto è il costo di produzione delle batteria per un eventuale produttore che fosse interessato, perchè ovviamente la f.d.c. è molto più costosa di un semplice strato di grafite sintetica.
Vedremo come si svilupperà la faccenda, intanto vi saluto!
Scusate la brevità del messaggio ma per due motivi preferisco non parlarne più approfonditamente. Solo quando sarò sicuro di aver imboccato la strada giusta vi darò eventuali conferme. In sostanza ho cambiato la "ricetta", come si suol dire, sia del solvente che dell'elettrolita della batteria, niente più iodio e anche il propilene carbonato non è più adatto. Ovviamente il magnesio non cambierà e sarà ancora allo stato metallico ma, come dicevo, è cambiato il solvente, l'elettrolita e persino il materiale del catodo. Sarà più preciso più avanti, per adesso posso dirvi che forse questa volta ci siamo.
