L'atomo di litio è uno degli atomi più leggeri della tavola periodica. Le sue proprietà lo rendono adatto a generare energia in combinazione con altri elementi. Questa unione di leggerezza e grande potenziale energetico è ciò che lo ha reso protagonista in gran parte della chimica delle batterie nel XXI secolo.
I veicoli elettrici di oggi sono alimentati da celle agli ioni di litio che sono state migliorate, in modo incrementale, per decenni. Le batterie agli ioni di litio di qualsiasi veicolo elettrico, tuttavia, rappresentano ancora la parte più pesante dell’auto. Tutto questo peso extra limita il potenziale delle prestazioni del veicolo. Al contrario, ciò che promettono le batterie al litio-ossigeno, sulla carta, non è affatto incrementale. Sarebbero in grado di produrre una quantità di energia molto maggiore rispetto al loro peso. In teoria, il litio-ossigeno potrebbe essere utilizzato per realizzare una batteria più leggera, in grado di andare molto più lontano con una singola carica.
Aumento della densità energetica
Le attuali batterie agli ioni di litio hanno una densità energetica specifica 3 volte superiore a quella delle precedenti celle al piombo
Densità energetica moltiplicata
Le batterie al litio-ossigeno più leggere hanno potenzialmente una densità energetica specifica da 5 a 15 volte superiore a quella delle odierne celle agli ioni di litio
Per l’industria chimica, trasformare questa teoria in un prodotto commerciabile potrebbe generare grandi profitti per i decenni a venire date le sue svariate applicazioni, dai dispositivi mobili alle automobili fino a nuove forme di trasporto ancora inimmaginabili. Questo è uno dei motivi per cui Jamie Garcia, Senior Manager di Quantum Algorithms, Applications and Theory presso IBM e il suo team di chimici quantistici hanno trascorso molto tempo in videoconferenza con i colleghi ricercatori della Mitsubishi Chemical in Giappone.
Il team di IBM Quantum è stato contattato da Qi Gao di Mitsubishi Chemical e dal professor Naoki Yamamoto della Keio University per modellare e studiare il complesso meccanismo di riarrangiamento del superossido di litio, una fase chimica fondamentale nelle batterie al litio-ossigeno. La loro collaborazione getta le basi per simulare - e infine studiare - un problema legato a un'applicazione da mondo reale su un computer quantistico.
Si tratta di un compito impossibile da svolgere in modo efficiente anche sui più potenti supercomputer di oggi. Per il team di ricerca e sviluppo di Mitsubishi Chemical, la modellazione di una reazione elettrochimica così complessa su un computer classico si è rivelata incredibilmente difficile. Collaborando con i team IBM e IBM Q Hub della Keio University, Mitsubishi Chemical sta studiando come utilizzare i computer quantistici per creare simulazioni accurate di ciò che accade all'interno di una reazione chimica a livello molecolare.
La maggior parte dei chimici che hanno svolto lavoro di laboratorio tradizionale sanno che potrebbero servire ore, mesi e persino anni per cercare di capire come si svolge una reazione chimica all'interno delle provette e per essere in grado di controllarla. Il calcolo quantistico promette di accelerare tutto questo.
Mitsubishi Chemical riconosce il valore di questa promessa. Leader mondiale nella sintesi di materiali innovativi, serve decine di settori: automobilistico, aerospaziale, medico, produzione di energia, infrastrutture di trasporto, edilizia e costruzioni, che necessitano tutti di strumenti molto migliori per risolvere sfide urgenti.
Per poter soddisfare le diverse esigenze di molti settori Mitsubishi Chemical svolge un ampio lavoro di ricerca e sviluppo. Come molti altri membri dell’IBM Quantum Network, ha budget dedicati alla simulazione molecolare e sta effettuando investimenti per cui il quantum computing può rivelarsi d'aiuto. A livello aziendale, ciò può portare a collaborazioni transcontinentali, in questo caso tra gruppi di ricerca interdisciplinari di Mitsubishi Chemical, Keio University di Tokyo e IBM.
«Se si considerano i più grandi problemi irrisolti nel mondo, ci si accorge che si tratta di sfide che esistono da decenni», afferma Jamie Garcia, Senior Manager del settore Algoritmi, applicazioni e teoria quantistica presso IBM. «Questo perché continuiamo a lavorare con gli stessi strumenti, ma stiamo arrivando al limite per quanto riguarda risultati che possiamo ottenere. La promessa del quantum computing porta qualcosa di nuovo sul tavolo. In fin dei conti, questo è ciò che trasformerà e stravolgerà le industrie. Un nuovo strumento».
Il triumvirato di ricerca composto da Mitsubishi Chemical, Keio University e IBM Quantum sta lavorando per comprendere meglio il potenziale del litio-ossigeno come fonte di energia utilizzando nuovi algoritmi che sfruttano il calcolo quantistico.
L'esecuzione di una nuova serie di algoritmi, all'interno di un ambiente hardware e di un software completamente nuovi, ha già prodotto risultati quantitativamente corretti per il calcolo di complesse reazioni chimiche nel processo di scaricamento di una batteria al litio-ossigeno. Inoltre, osservando i fondamenti molecolari attraverso una nuova lente, i ricercatori stanno anche cercando di estrarre nuove intuizioni e osservare fenomeni che non sono generalmente accettati come noti o attesi.
«Esplorando parti specifiche di queste reazioni con i computer quantistici, in modo così dettagliato e approfondito, si giunge a queste piccole rivelazioni», afferma Jamie Garcia di IBM. «Quindi utilizzare questi sistemi quantistici per la chimica è più che ragionevole. C'è sempre qualcosa di nuovo da scoprire e una prossima domanda a cui rispondere.
La missione di Mitsubishi Chemical(link esterno a ibm.com) è creare soluzioni innovative a livello globale basate sui nostri valori fondamentali di sostenibilità, salute e comfort, impegnandosi per il benessere delle persone, della società e del nostro pianeta Terra.
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Prodotto negli Stati Uniti d'America, marzo 2020.
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