Nontessuti metallici: materiale per le batterie del futuro
La start-up commercializza elettrodi in tessuto non tessuto: "Con la nostra tecnologia, abbiamo la possibilità di raggiungere i produttori asiatici e di essere migliori"
Le batterie stanno diventando sempre più potenti. Una scoperta dei ricercatori dell'Istituto Max Planck per la ricerca medica di Heidelberg potrebbe ora dare loro un notevole impulso energetico. Un team guidato dal direttore del Max Planck Joachim Spatz ha scoperto che il vello metallico come materiale di contatto negli elettrodi delle batterie accelera in modo significativo il trasporto della carica, in particolare degli ioni metallici. Ciò consente di costruire elettrodi molto più spessi di quelli attuali. Ciò significa che è possibile risparmiare una buona metà del metallo di contatto e degli altri materiali che non contribuiscono all'accumulo di energia. In questo modo, i ricercatori possono aumentare significativamente la densità energetica delle batterie.
Lo status quo: un compromesso tra densità energetica e prestazioni
"La base è un meccanismo precedentemente sconosciuto che abbiamo scoperto durante il trasporto di ioni negli elettrodi", spiega Joachim Spatz. Gli elettrodi delle batterie sono costituiti da un materiale di contatto e da un materiale attivo. Il materiale di contatto - oggi un foglio di rame per il terminale negativo delle batterie agli ioni di litio e un foglio di alluminio per il terminale positivo - ha solo il compito di trasportare la corrente da e verso l'elettrodo. Il materiale attivo è il materiale di accumulo vero e proprio che assorbe e rilascia la carica durante la carica e la scarica. Oggi i produttori di batterie utilizzano la grafite per il terminale negativo e vari composti inorganici contenenti litio per il terminale positivo. Il materiale attivo è poroso in modo da essere penetrato dall'elettrolita liquido.
Sebbene i materiali attivi oggi comunemente utilizzati assorbano molta carica, conducono molto male gli ioni. Gli ioni devono migrare attraverso l'elettrolita liquido nel materiale attivo. Poiché sono impacchettati in un guscio di molecole di elettrolita e sono di volume corrispondente, si muovono solo lentamente attraverso l'elettrolita. E non si muovono bene nel materiale attivo stesso. I produttori di batterie si trovano quindi di fronte a un dilemma: o rendono gli elettrodi spessi, in modo che la loro densità energetica sia la più alta possibile, ma allora le batterie in questione non possono essere caricate e scaricate rapidamente. Oppure rendono gli elettrodi estremamente sottili e accettano che la densità di energia diminuisca per ottenere una carica e una scarica rapide. Con un compromesso tra le due proprietà, oggi i produttori di batterie si ritrovano con elettrodi sottili circa un decimo di millimetro. Ciò corrisponde all'incirca al diametro di un capello umano.
Un nuovo approccio: trasporto accelerato di ioni attraverso un doppio strato elettrico
In uno studio pubblicato sulla rivista specializzata ACS Nano, il team di Heidelberg ha ora dimostrato un modo per produrre elettrodi che sono almeno dieci volte più spessi di quelli attuali e che possono comunque essere caricati e scaricati rapidamente. I ricercatori hanno dimostrato che gli ioni di litio si spogliano del loro guscio molecolare su una superficie di rame, vi si depositano e formano un doppio strato elettrico, il cosiddetto strato di Helmholtz, con gli elettroni che si accumulano sotto la superficie del metallo. "Utilizzando una configurazione di misura appositamente sviluppata e calcoli teorici, abbiamo dimostrato che gli ioni di litio si muovono attraverso lo strato di Helmholtz circa 56 volte più velocemente che attraverso l'elettrolita", spiega Joachim Spatz. "Le superfici metalliche sono quindi una sorta di autostrada per gli ioni metallici".
Se gli ioni metallici si muovono così rapidamente attraverso le superfici metalliche, ciò significa che ha senso attraversare il materiale attivo con una rete autostradale metallica per il trasporto degli ioni. Questo è esattamente ciò che hanno fatto Joachim Spatz e il suo team. I ricercatori hanno prodotto nontessuti con fili metallici spessi solo pochi centesimi di millimetro. Hanno poi inserito il materiale attivo nei nontessuti metallici. Questo ha permesso di utilizzare solo la metà del rame necessario per gli elettrodi convenzionali. Anche se un elettrodo è circa dieci volte più spesso di quanto non sia oggi, gli ioni di litio entrano ed escono dal materiale attivo attraverso il tessuto non tessuto con una rapidità tale da essere sufficiente, ad esempio, per l'uso nelle auto elettriche. Il risultato è che la densità energetica degli elettrodi in tessuto non tessuto è fino all'85% superiore a quella degli elettrodi in pellicola.
Batene GmbH: una start-up per gli elettrodi in tessuto non tessuto
"Fornire carica a un materiale attraverso strati bidimensionali non è affatto efficiente", afferma Joachim Spatz, indicando l'esempio della natura: essa rifornisce gli organismi attraverso una rete tridimensionale di vasi. "Questo è l'obiettivo della nostra tecnologia: una rete di alimentazione tridimensionale per i portatori di carica che può essere utilizzata per caricare e scaricare le batterie in modo efficiente".
Gli elettrodi in tessuto non tessuto non solo sono significativamente più efficienti degli elettrodi in pellicola, ma sono anche più facili ed economici da produrre. Nella produzione delle batterie odierne, infatti, i produttori devono applicare i sottili strati di materiale attivo alle lamine di contatto con un processo complesso, a volte utilizzando solventi tossici. Al contrario, il materiale attivo può essere applicato ai nontessuti in forma di polvere. "Con il riempimento a secco, possiamo probabilmente risparmiare dal 30 al 40% dei costi di produzione e gli impianti di produzione necessitano di un terzo di spazio in meno", afferma Joachim Spatz.
Poiché il ricercatore vede un grande potenziale negli elettrodi in tessuto non tessuto, ha già fondato una start-up che sta sviluppando la tecnologia delle batterie fino alla maturità del mercato, ad esempio insieme alle principali case automobilistiche. E questo, è convinto Joachim Spatz, potrebbe anche migliorare le possibilità competitive dei produttori tedeschi nella tecnologia delle batterie in rapido sviluppo: "Con la nostra tecnologia, abbiamo la possibilità di raggiungere i produttori asiatici e di essere migliori".
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