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Innovative Manufacturing Routes for Next Generation Batteries in Europe

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All’orizzonte batterie al litio più leggere, meno costose e a maggiore densità

Si ritiene che le potenti tecnologie delle batterie dotate di una lastra di litio e di un elettrolita in gel polimerico possano aumentare la densità energetica rispetto alle batterie agli ioni di litio convenzionali.

Energia

Un’iniziativa dell’UE potrebbe portare alla realizzazione di batterie in grado di conservare una maggiore quantità di energia per peso e volume unitario, sulla scia dell’annosa ricerca incentrata sull’utilizzo di litio metallico puro nell’anodo della batteria. Tale progettazione è parte integrante del concetto lungimirante di sviluppare batterie allo stato solido sicure, eliminando la necessità di impiegare un elettrolita liquido tra i due elettrodi delle batterie.

L’importanza di avere promettenti alternative alle batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio hanno fatto decollare l’elettronica portatile, ma l’elenco di applicazioni pratiche va al di là della mera esecuzione di applicazioni su uno smartphone o un tablet. I veicoli elettrici, lo stoccaggio dell’energia di rete e i sistemi di riserva dell’energia sono solo alcuni esempi di soluzioni alimentate da questa tecnologia delle batterie. La crescente domanda di batterie agli ioni di litio ha messo in scena una competizione a livello globale. Ma come si sta comportando l’Europa in questa gara? «L’Europa sembra aver perso la battaglia relativa alla fabbricazione delle celle agli ioni di litio convenzionali, cedendo il primato ai colossi asiatici. Abbiamo istituito il progetto IMAGE, finanziato dall’UE, per reintrodurre ed estendere le competenze tecniche in tal ambito in modo da dare una mano all’industria europea delle batterie in questa competizione», osserva Kohs Wolfram, coordinatore del progetto e ingegnere di sviluppo presso l’azienda AVL List GmbH. Riunendo partner industriali e accademici, IMAGE ha lavorato allo scopo di stabilire una tabella di marcia ben documentata per la fabbricazione di celle di batterie competitive ed economiche. La ricerca non si è limitata necessariamente alle batterie agli ioni di litio di per sé, ma anche ad alternative a base di litio più avanzate e promettenti.

Ioni di litio e litio-metallo a confronto

La ricerca di alternative alle batterie agli ioni di litio è rilevante in applicazioni dove la tecnologia ha raggiunto i propri limiti. «Ciò vale soprattutto per la mobilità elettrica, che è in gran parte guidata dalla domanda di batterie agli ioni di litio convenienti e dotate di un contenuto energetico più elevato», riferisce Wolfram. «Le batterie al litio-metallo sono promettenti alternative per i veicoli elettrici, in cui un’ampia autonomia e peso e volume ridotti rappresentano grandi preoccupazioni.» Una batteria al litio-metallo è in grado di surclassare la convenzionale tecnologia basata sugli ioni di litio, poiché può stoccare all’incirca il doppio di elettricità per ogni chilogrammo. Tale risultato è ottenuto grazie alla sostituzione del materiale di cui è composto l’anodo (solitamente la grafite) con una sottile lastra di litio, che risulta più leggera. Grazie allo stoccaggio di una quantità notevolmente superiore di energia con un peso inferiore, l’autonomia del veicolo elettrico si allunga.

Migliorare i materiali per il catodo e l’elettrolita

Un altro elemento che potrebbe contribuire ad aumentare le prestazioni delle batterie è l’impiego di un nuovo elettrolita in gel polimerico, che è stato ampiamente collaudato e migliorato in diverse fasi. L’elettrolita consente agli ioni di litio di viaggiare avanti e indietro durante i cicli di carica e scaricamento della batteria, mentre una versione in gel polimerico potrebbe dimostrarsi migliore rispetto agli elettroliti liquidi tradizionali. I membri del progetto hanno inoltre impiegato un mix di nichel, cobalto e manganese per il catodo, che è stato ottimizzato in modo da essere utilizzabile con leganti acquosi, invece che organici.

Gettare le fondamenta per tecnologie di batterie al litio avanzate

Nel passato, AVL List ha partecipato a un altro progetto in cui è stato effettuato il collaudo di varie combinazioni di materiali per l’anodo, il catodo e l’elettrolita, con l’obiettivo di cementare un’industria europea delle batterie forte e competitiva. «Nell’ambito di IMAGE, abbiamo sperimentato nuovi materiali per batterie e costruito un nuovo tipo di cella. I materiali utilizzati erano più economici e la loro produzione prevedeva processi a intensità energetica inferiore. Ma soprattutto abbiamo reso superflui i solventi organici, aprendo la strada al miglioramento della sicurezza delle batterie», osserva Wolfram. Il processo che prevede la sintesi dell’elettrolita in gel polimerico è promettente per ingegnerizzare interfacce di elettroliti stabili e conduttivi. Inoltre, gli impegnativi problemi di progettazione affrontati nell’integrazione meccanica e nel controllo della temperatura delle celle hanno gettato solide fondamenta per progetti di follow-up. «La combinazione di una lastra sottile per l’elettrodo con un elettrolita in gel polimerico offre un’alternativa economica e scalabile alle batterie agli ioni di litio, il che segna un passo in avanti per le batterie allo stato solido. L’ampliamento delle nostre conoscenze e delle capacità di produzione relative a questo tipo di batterie potrebbe aiutare l’Europa a rivaleggiare con i giganti asiatici concorrenti», conclude Wolfram.

Parole chiave

IMAGE, batterie agli ioni di litio, litio-metallo, elettrolita in gel polimerico, batterie allo stato solido, veicoli elettrici, AVL List GmbH

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