La batteria del futuro: la chimica dello stato solido per le celle ad alta energia
Nuovi approcci di ricerca per le batterie ultraleggere al litio-zolfo
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Le batterie al litio-zolfo rappresentano una promettente alternativa ai sistemi convenzionali agli ioni di litio. Per superare gli ostacoli tecnologici di questa chimica delle celle, l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia dei materiali e dei fasci IWS e i suoi partner stanno studiando una nuova architettura di celle che riduce il contenuto di elettrolita e adatta la chimica dello stato solido. L'obiettivo è quello di sviluppare concetti pratici di celle che combinino un'elevata densità energetica con una maggiore durata del ciclo e una maggiore sicurezza. Due progetti di ricerca - AnSiLiS, finanziato dal Ministero federale tedesco della ricerca, della tecnologia e dello spazio (BMFTR), e TALISSMAN, finanziato dal programma Horizon Europe dell'UE - costituiscono il quadro strutturale di questo lavoro. Il progetto mira a sviluppare una cella litio-zolfo allo stato solido che fornisca un'energia paragonabile e che pesi molto meno delle batterie attuali.
Le celle convenzionali al litio-zolfo hanno una durata limitata perché i loro elettroliti liquidi favoriscono la formazione di polisolfuri solubili. Questi sottoprodotti causano perdite di materiale e un'accelerazione del degrado della stabilità del ciclo. I ricercatori del Fraunhofer IWS stanno perseguendo un approccio alternativo: la conversione diretta dello zolfo in solfuro di litio solido in un ambiente prevalentemente allo stato solido, completamente privo di elettrolita liquido. I primi risultati di laboratorio suggeriscono che in futuro questa architettura potrà tecnicamente raggiungere un'energia specifica di oltre 600 wattora per chilogrammo con un comportamento ciclico stabile.
Il Fraunhofer IWS sviluppa celle al litio-zolfo ad alta energia con elettroliti solidi e un design di cella scalabile nell'ambito del progetto AnSiLiS, con l'obiettivo di consentire future applicazioni di mobilità.
© Fraunhofer IWS/generated by AI
AnSiLiS: sviluppo dei materiali, simulazione e integrazione delle celle
Il progetto AnSiLiS si concentra sullo sviluppo di un catodo composito zolfo-carbonio. Questo sarà esaminato in combinazione con un anodo sottile di litio-metallo e un sistema elettrolitico ibrido in quantità minima. Il TU di Dresda e l'Università di Jena esplorano le interazioni elettrochimiche tra l'elettrolita e i materiali attivi. L'Helmholtz-Zentrum Berlin contribuisce con la sua esperienza nell'analisi operatoria e nella tomografia 3D. Le simulazioni di dinamica molecolare supportano il processo di sviluppo delle celle, consentendo valutazioni precise della stabilità e della compatibilità dei componenti su scale diverse.
TALISSMAN: scalabilità e convalida industriale
Il progetto UE TALISSMAN aggiunge alla ricerca la scalabilità industriale e la convalida delle applicazioni. Coordinati dall'istituto basco CIDETEC, nove partner provenienti da Spagna, Francia, Italia e Germania stanno sviluppando due generazioni di celle per applicazioni di mobilità elettrica. Gli obiettivi sono densità di energia fino a 550 wattora per chilogrammo, integrazione di elettroliti quasi solidi non infiammabili e costi di produzione inferiori a 75 euro per chilowattora. Il design della cella rimarrà compatibile con le linee di produzione di batterie agli ioni di litio esistenti.
Tutte le fasi di produzione si svolgono presso l'Advanced Battery Technology Center (ABTC) dell'Istituto a Dresda. Questa struttura dispone di una linea flessibile per la produzione di elettrodi, che utilizza il classico rivestimento in slurry o il DRYtraec, nonché il taglio laser in aria secca, l'impilamento multistrato, la sigillatura termica e la formazione, con l'opzione dell'invecchiamento ciclico. In combinazione con l'analisi e la simulazione del processo, questa configurazione consente lo sviluppo di celle end-to-end da un'unica fonte di origine. Il Fraunhofer IWS non fornisce solo risultati su scala di laboratorio, ma anche dimostrazioni quasi applicative. Tutte le celle sono sottoposte a una caratterizzazione elettrochimica completa. I partner industriali del settore aerospaziale, della tecnologia dei droni e dell'elettromobilità beneficiano di un rischio di sviluppo ridotto, di un trasferimento tecnologico accelerato e di una produzione di batterie economicamente redditizia. Densità energetiche superiori a 600 wattora per chilogrammo e costi specifici inferiori a 75 euro per chilowattora sono a portata di mano.
Applicazioni target
L'aviazione, i sistemi aerei senza equipaggio e i sistemi portatili di stoccaggio dell'energia richiedono eccellenti rapporti energia-peso. I concetti di celle in fase di sviluppo in AnSiLiS e TALISSMAN rispondono direttamente a questi requisiti. La combinazione di materiali ottimizzati, analisi approfondite e sviluppo guidato dai processi aprirà la strada alle batterie al litio-zolfo nelle applicazioni in cui le tecnologie convenzionali raggiungono i loro limiti. Nei prossimi anni si prevede che i prototipi funzionali convalideranno le prestazioni previste.
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