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Silicon and polyanionic chemistries and architectures of Li-ion cell for high energy battery

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Batterie agli ioni di litio migliorate per dare un nuovo impulso ai veicoli elettrici

Progettazioni all’avanguardia della batteria potrebbero incrementare notevolmente le prestazioni delle odierne celle agli ioni di litio (Li-ion), ampliando di molto l’autonomia del veicolo elettrico pur senza occupare ulteriore spazio.

Energia

La batterie Li-ion sono diventate una fonte d’energia indispensabile per i nostri sistemi elettronici portatili e palmari sempre più piccoli. Per via dei loro enormi vantaggi rispetto ad altri tipi di batterie – per esempio una densità di accumulo dell’energia più elevata – esse hanno anche aperto la strada a una varietà di nuove applicazioni al di fuori dell’area centrale della tecnologia, inclusi i veicoli ibridi ed elettrici. I fabbricanti di veicoli sperano che la tecnologia della batteria, migliorata in termini di prestazioni, costo, sicurezza, riciclabilità, durata e peso, amplierà ulteriormente l’autonomia dei veicoli elettrici e ne ridurrà il costo — rendendo alla fine i veicoli elettrici un’opzione più allettante per i consumatori. Il progetto SPICY, finanziato dall’UE, mirava a sviluppare una batteria Li-ion più potente, economica, sicura, leggera, duratura e rispettosa dell’ambiente in grado di soddisfare le esigenze dei conducenti di veicoli elettrici. Il progetto si è dedicato ai processi di produzione e all’intera catena del valore per i materiali utilizzati per fabbricare le batterie Li-ion. «Lo sviluppo di nuove chimiche e architetture della cella per le batterie Li-ion è l’unico modo per incrementare la capacità della cella e la densità energetica, che portano entrambe a una maggiore autonomia del veicolo elettrico», sottolinea Willy Porcher, il responsabile di progetto. Nuovi materiali Le innovazioni del progetto sono dipese dallo sviluppo di nuovi materiali attivi ed elettroliti stabili, dall’uso di un solvente più rispettoso dell’ambiente per la fabbricazione, dalla valutazione di architetture della cella nuove e ottimizzate e dall’imballaggio che sfrutta concetti della progettazione ecocompatibile. Per l’utilizzo come elettrodo positivo, sono stati apportati miglioramenti alle prestazioni relative alla densità energetica di materiali fosfatici, a partire dal litio-ferro-fosfato, LiFePO4. Malgrado il fatto che sia un materiale sicuro e durevole per l’uso nei catodi, la sua densità energetica è bassa a causa del potenziale elettrochimico del Fe. Usando metalli di transizione con un potenziale superiore al Fe, i ricercatori sono riusciti ad aumentare le prestazioni elettrochimiche e la densità energetica del materiale. Sono stati testati elettroliti con un’ampia finestra elettrochimica, tra cui sulfolano e adiponitrile, ed entrambi hanno migliorato le prestazioni relative all’uso ciclico. I ricercatori hanno inoltre dimostrato che il procedimento acquoso per la fabbricazione del catodo facilita il processo di riciclo, consentendo il recupero di oltre il 50 % della batteria. Il team ha inoltre esaminato nuovi materiali per l’anodo, incluso il silicio in un composito con la grafite o in una lega con il germanio. Il silicio è stato prodotto mediante nuovi procedimenti di sintesi per le nanoparticelle e le strutture nucleo-guscio al fine di migliorare la stabilità delle particelle. L’aggiunta di sali Li-immide agli elettroliti si è dimostrata benefica per la stabilità del ciclo della cella Li-ion, creando un’interfaccia più stabile tra l’elettrolita e gli elettrodi. SPICY ha testato quattro diverse architetture della cella e ha anche prodotto un imballaggio modulare leggero in composito, e una durevole presa di alimentazione che non ha mostrato alcuna resistenza aggiuntiva. «Questi cosiddetti dispositivi di interconnessione stampati insieme all’imballaggio in composito per le celle porteranno a sistemi molto compatti con livelli superiori di sicurezza, minori volumi e costi più bassi», evidenzia Porcher. Batterie a basso costo e alte prestazioni La valutazione del ciclo di vita e l’analisi dei costi del progetto hanno aiutato a dedicarsi alle migliori opzioni per fabbricare la prossima generazione di batterie Li-ion per veicoli elettrici in Europa. «Nel nostro tentativo di ridurre al minimo l’impatto delle batterie sull’ambiente, abbiamo decretato che è meglio concentrarsi sul miglioramento del contenuto energetico piuttosto che scegliere i materiali con l’impatto ambientale più basso», sottolinea Porcher. Grazie all’uso di materiali più economici e alla progettazione intelligente della cella, l’obiettivo generale del progetto era quello di ridurre i costi di produzione della batteria del 20 % e di incrementarne le prestazioni del 20 %. Ottimizzando i costi e integrando principi ecocompatibili, questa collaborazione multidisciplinare, che coinvolge partner industriali, accademici e centri di ricerca, dovrebbe aiutare a fornire una solida base industriale per i produttori europei di batterie al fine di approfittare dei mercati mondiali.

Parole chiave

SPICY, veicolo elettrico, ioni di litio (Li-ion), batterie, densità energetica, architettura della cella, elettrodo, imballaggio in composito, litio-ferro-fosfato

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