Un gruppo del Politecnico di Milano ha messo a punto una membrana polimerica gelificata che conduce gli ioni fluoruro a temperatura ambiente. È il primo passo verso batterie non infiammabili e senza litio, ma per ora le prove di laboratorio superano di poco i 50 cicli di carica e scarica
Le batterie agli ioni fluoruro esistono in laboratorio da anni, ma per farle funzionare andavano scaldate: tra i 100 e i 150°C, con una parte dell’energia accumulata che finiva dispersa in calore.
Un team del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica Giulio Natta (Dcmic) del Politecnico di Milano ha aggirato l’ostacolo con una membrana in gel quasi solido, non infiammabile, che fa muovere gli ioni fluoruro già a temperatura ambiente.
I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials. Il coordinatore è Maurizio Sansotera, responsabile del laboratorio Fluoritech. A Luca Magagnin, responsabile del laboratorio di ingegneria delle superfici ed elettrochimica (Surface Engineering and Electrochemistry Laboratory, See Lab), si deve la caratterizzazione elettrochimica. Giuseppina Raffaini ha curato le simulazioni di dinamica molecolare.
Lo studio introduce per la prima volta il concetto di Fluoride Exchange Membrane (Fem), per analogia con le membrane a scambio protonico (Proton Exchange Membrane, Pem) e a scambio anionico (Anion Exchange Membrane, Aem), già diffuse in molte applicazioni.
Il mercato delle batterie agli ioni di litio: crescita record e filiera concentrata
Nel 2025 le batterie per veicoli elettrici entrate in servizio nel mondo hanno toccato 1,2 terawattora (TWh), quasi il 30% in più del 2024 e più di sette volte il livello del 2020, secondo il Global Ev Outlook 2026 dell’Agenzia internazionale dell’energia (Iea). La Cina assorbe il 60% del totale, l’Unione europea quasi il 15%, gli Stati Uniti il 10%.
L’accumulo stazionario corre ancora più veloce. Sempre secondo Iea, nel 2025 sono stati installati 108 gigawatt (GW) di nuova capacità, circa il 40% in più dell’anno prima, un volume che supera il massimo storico annuale delle centrali a gas (circa 107 GW, nel 2002). La capacità complessiva è undici volte quella del 2021.
La produzione resta concentrata: oltre l’80% delle celle è stato fabbricato in Cina nel 2025. I prezzi medi delle batterie sono scesi dell’8% nello stesso anno, ma il litio parte da una base meno comoda.
All’inizio del 2026 costava più del doppio rispetto a dodici mesi prima, pur restando circa il 70% sotto il picco del 2022. Iea nota che, se i rincari persistono, daranno ulteriore slancio alle batterie agli ioni di sodio.
Per le batterie al fluoruro, dunque, il campo è già affollato. Anche l’argomento dell’abbondanza va letto con cautela. Il fluoro si ricava dalla fluorite e la Commissione europea la include tra le 34 materie prime critiche del Critical Raw Materials Act. Cambiare chimica sposta il problema delle forniture e non è detto che lo risolva.
Come funziona l’elettrolita polimerico: ionomero, solventi e simulazioni
Nelle batterie agli ioni fluoruro (Fluoride-Ion Batteries, Fib) gli ioni fluoruro fanno la spola tra due elettrodi con potenziali diversi di fluorurazione e defluorurazione. A frenare la tecnologia è l’elettrolita.
Le ceramiche a base di terre rare, come il fluoruro di lantanio drogato con bario, conducono poco e richiedono alte temperature. Gli elettrolita liquidi conducono bene, ma i fluoruri metallici si sciolgono male nei solventi organici. Inoltre gli ioni fluoruro nudi degradano i solventi e possono generare acido fluoridrico, corrosivo.
Il gruppo del Politecnico ha scelto una via intermedia: un elettrolita polimerico quasi solido. La base è un ionomero perfluorosolfonico ammidico con gruppi terminali di fluoruro di tetralchilammonio.
Il distanziatore tra catena e gruppo attivo è stato scelto senza atomi di idrogeno in posizione beta, per inibire l’eliminazione di Hofmann, reazione che in presenza di fluoruri attaccherebbe la membrana. La sintesi è stata confermata con spettroscopia infrarossa e risonanza magnetica nucleare allo stato solido.
La membrana viene poi fatta rigonfiare con una miscela di 1,3-diossolano (Dol) e dimetilsolfossido (Dmso). Il rigonfiamento rende accessibili i gruppi terminali e solvata gli ioni fluoruro, riducendone la reattività. Le simulazioni di dinamica molecolare indicano nel Dmso un agente di rigonfiamento polare efficace.
Conducibilità, cicli e densità energetica: i dati e ciò che resta teorico
La spettroscopia di impedenza elettrochimica (Electrochemical Impedance Spectroscopy) ha misurato una conducibilità fino a 1,3 × 10-3 siemens per centimetro a temperatura ambiente.
In una cella a bottone, con elettrodi di piombo e fluoruro di piombo, la membrana ha sostenuto oltre 50 cicli, con fluorurazione e defluorurazione reversibili in una finestra di ±0,8 volt. La corrente era di 0,1 C, pari a 22 milliampere per grammo: un ritmo lento, con una carica completa in circa dieci ore.
Sul fronte della densità energetica, secondo Magagnin il valore teorico si aggira sui 600 wattora per chilo, contro i 150-250 delle batterie agli ioni di litio standard. Nella pratica, sempre secondo il docente di Chimica fisica applicata, equivarrebbe a una durata doppia: un’auto elettrica potrebbe percorrere il doppio dei chilometri e le applicazioni spazierebbero da accumulo, droni e satelliti fino agli aerei.
Il dato è teorico e i test attuali non lo misurano. Il piombo, materiale pesante, serve a verificare la reversibilità del processo. La densità effettiva dipenderà dagli elettrodi che verranno scelti per un dispositivo reale.
Sicurezza, accumulo e i passaggi che separano la cella a bottone dall’industria
Per Sansotera, docente di Fondamenti chimici, il vantaggio più immediato riguarda l’accumulo da fonti rinnovabili. I picchi di produzione non coincidono con quelli di consumo e vari Paesi europei stanno realizzando sistemi di stoccaggio la cui diffusione è spesso frenata dal timore di incendi.
Una membrana non infiammabile abbassa quel rischio e usa un elemento abbondante e distribuito in modo più equo in natura. Raffaini, docente di Chimica e Materiali, aggiunge il risparmio energetico. Operare a temperatura ambiente evita il preriscaldamento che le generazioni precedenti richiedevano.
Tra la cella a bottone e un prodotto restano però passaggi da dimostrare. Servono elettrodi con capacità e peso adatti, al posto del piombo, e cicli ben oltre i 50.
Servono celle di formato maggiore e un processo per produrre l’ionomero perfluorurato su scala industriale. Serve infine una verifica della sicurezza sull’intera cella, solventi inclusi, compreso il comportamento in caso di degradazione.
Gli stessi autori definiscono il lavoro un quadro di riferimento, che lega struttura molecolare, meccanismo di trasporto e prestazioni, per progettare in modo razionale elettroliti quasi solidi per batterie agli ioni fluoruro a temperatura ambiente.
