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Polimeri sostenibili per batterie stampate in 3D

È iniziata la corsa per trovare alternative ecologiche alle batterie agli ioni di litio. La start-up POLYKEY è convinta che i polimeri sostenibili potrebbero un giorno superare le prestazioni delle batterie attuali, almeno per alcune applicazioni.

Tecnologie industriali

La start-up POLYKEY è nata nel 2020 come spin-out dell’Università del Paese Basco. Oltre a specializzarsi nel riciclaggio della plastica attraverso la depolimerizzazione, l’azienda propone inoltre una nuova generazione di batterie a stato solido costruite a partire da polimeri sostenibili. La promessa è attraente: le nuove batterie sono più leggere, offrono migliori prestazioni ad alte temperature e non sono infiammabili. L’impresa nacque inizialmente nel 2012 con il progetto iPES, sostenuto dalle sovvenzioni di avviamento CER, e due anni fa fu seguita dal progetto di prova di concetto iPES-3DBat (Innovative Polymeric Batteries by 3D Printing) del CER. Il team del progetto, guidato da David Mecerreyes, aveva notato i limiti delle batterie attuali in termini di forma, rigidità e costo, e ha perciò sviluppato una serie di nuovi materiali polimerici. Successivamente, con il progetto iPES-3DBat, ha deciso di produrre batterie polimeriche attraverso un processo di stampa 3D rapido e dal costo contenuto. «Le batterie completamente polimeriche offrono numerosi vantaggi rispetto a quelle convenzionali agli ioni di litio», afferma Mecerreyes, vicedirettore presso Polymat, il Centro basco per la progettazione e l’ingegneria macromolecolare dell’Università del Paese Basco. «In primo luogo, non richiedono l’impiego di materiali inorganici tossici e scarsamente reperibili quali il litio, il cobalto, il nichel o il manganese. Inoltre, le batterie completamente polimeriche offrono altri vantaggi, come l’uso di materiali biocompatibili rinnovabili, la flessibilità, la riciclabilità e la possibilità di fabbricazione tramite metodi di produzione additiva quali la stampa 3D. Il nostro sogno con iPES-3DBat era sviluppare materiali che permettessero alle persone di stampare le batterie a casa propria».

Da biopolimeri ad applicazioni a basso consumo energetico

Mentre le celle delle batterie tradizionali hanno una struttura planare, gli inchiostri stampabili in 3D permetterebbero di creare forme differenti e fornirebbero inoltre una potenza maggiore e una densità energetica più elevata, grazie a una superficie degli elettrodi più estesa. Per creare questi inchiostri, il progetto iPES-3DBat ha impiegato innovativi polimeri redox precedentemente sviluppati nell’ambito del progetto iPES. Tra di essi vi sono biopolimeri abbondanti in natura, come la lignina, il che comporta anche un processo di riciclo molto più semplice. Oltre a essere ottimizzati per la stampa 3D, i biopolimeri hanno tre elementi principali in comune: sono sicuri per l’ambiente, privi di sostanze chimiche tossiche e fabbricati a partire da risorse rinnovabili. «La fase di stampa in 3D non è stata semplice. Abbiamo dovuto stampare tra i tre e i cinque strati diversi (uno strato conduttore, un anodo, un catodo e un elettrolita) e assicurarci che funzionassero bene insieme», osserva Mecerreyes. Il progetto ha svolto con successo la dimostrazione di numerose batterie polimeriche in 3D, nonostante queste non possano ancora competere con le batterie agli ioni di litio in applicazioni ad alto consumo di energia, come i veicoli elettrici o i telefoni cellulari. Ma sono comunque utili, come osserva Mecerreyes: «Abbiamo previsto che le batterie sottili o 3D potrebbero avere applicazioni di nicchia, ad esempio nei settori della (micro)elettronica, sanitario, dell’Internet degli oggetti o dei giocattoli». Le batterie prototipo producono risultati soddisfacenti a voltaggi regolabili compresi tra 0,5 e 1,5 V e con una densità energetica/di potenza nell’ordine degli 80,6 Wh kg‒1 / 348 kW kg‒1, che potrebbero bastare per tali applicazioni. Le batterie, inoltre, sono robuste e possono sopravvivere a oltre 1 000 cicli. «Con POLYKEY intendiamo ora fornire al mercato polimeri per batterie, oltre a soluzioni polimeriche sostenibili per il riciclaggio della plastica e per l’industria dei bioprodotti. Da quando il progetto è terminato abbiamo lavorato per ampliare il nostro portfolio di materiali e abbiamo cercato partner e investitori interessati a questa tecnologia», conclude Mecerreyes.

Parole chiave

iPES-3DBat, ioni di litio, POLYKEY, biopolimeri, batterie a stato solido

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