Nuovi materiali per batterie su misura
Materiali innovativi per batterie per un accumulo di energia sicuro e sostenibile
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Le batterie devono essere potenti, sicure e sostenibili, ma allo stesso tempo devono essere prodotte in modo economico. All'InterBattery 2026 di Seul, l'Istituto Fraunhofer per la ricerca applicata sui polimeri IAP presenterà nuovi materiali per le batterie di prossima generazione. L'attenzione si concentrerà su elettroliti polimerici, membrane e separatori su misura, materiali di carbonio a base biologica e catalizzatori ad alte prestazioni, sviluppati per applicazioni industriali lungo l'intera catena del valore.
I materiali determinano prestazioni e sicurezza
Che si tratti di veicoli elettrici, di sistemi di accumulo di energia stazionari o di elettronica portatile, la densità energetica, la capacità di ricarica rapida, la durata e la sicurezza di una batteria sono in gran parte determinate dai suoi materiali. I ricercatori del Fraunhofer IAP nel Parco Scientifico di Potsdam stanno sviluppando nuovi materiali per batterie su misura, unendo le loro competenze nella chimica dei polimeri, nella lavorazione di membrane e separatori, nello sviluppo di materiali di carbonio biobased e su misura, nella produzione di catalizzatori e nello scale-up. "L'obiettivo è una piattaforma integrata di materiali, dalla sintesi e dalla scalabilità alla produzione di prototipi e alla caratterizzazione. Supportiamo le aziende dall'idea iniziale alla transizione verso scale più ampie", afferma il dott. Benjamin Heyne, responsabile del dipartimento Energy Materials del Fraunhofer IAP.
Elettroliti solidi come alternativa
Le batterie convenzionali si basano prevalentemente su elettroliti liquidi, che presentano rischi per la sicurezza se danneggiati e sono limitati nel loro intervallo di temperatura. Il Fraunhofer IAP sta quindi ideando elettroliti solidi polimerici. Questi consentono un trasporto efficiente degli ioni, sono meccanicamente stabili, non volatili e offrono migliori proprietà termiche. Alcuni dei sistemi sviluppati raggiungono già elevate conducibilità ioniche di >10-4 S/cm a temperatura ambiente. Le proprietà meccaniche, termiche ed elettrochimiche possono essere regolate con precisione attraverso modifiche molecolari mirate. I materiali sono compatibili con diversi sistemi di batterie, tra cui quelle agli ioni di sodio, zinco-aria e litio. Oltre agli elettroliti polimerici puri, si stanno creando anche elettroliti polimerici compositi, che combinano componenti organici e inorganici. Ciò consente di ottimizzare ulteriormente la conduttività, la stabilità e la sicurezza. Si stanno sviluppando anche catodi polimerici compositi. Si tratta di combinare un materiale catodico, come il fosfato di sodio e vanadio (NVP), con la matrice polimerica. Poiché viene utilizzata la stessa matrice polimerica dell'elettrolita polimerico, è possibile evitare le resistenze di interfaccia tra il catodo e l'elettrolita polimerico solido. Entrambi gli strati si legano meglio e, nel caso ideale, possono anche essere legati covalentemente l'uno all'altro.
Membrane e separatori privi di PFAS
Le membrane e i separatori svolgono un ruolo fondamentale per la sicurezza e la funzionalità delle batterie. Separano gli elettrodi l'uno dall'altro e consentono un trasporto selettivo degli ioni. Il Fraunhofer IAP sviluppa separatori chimicamente e meccanicamente stabili con un'architettura dei pori specificamente regolabile. Le dimensioni dei pori e la porosità possono essere adattate a requisiti specifici. L'attenzione si concentra in particolare sulle soluzioni prive di PFAS, poiché queste sostanze scarsamente degradabili sono oggetto di critiche crescenti. I materiali privi di PFAS faciliteranno l'approvazione di nuovi sistemi di batterie in futuro. Non solo sono più rispettosi dell'ambiente, ma anche più potenti e durevoli. "I nostri materiali possono essere integrati nei processi di produzione esistenti e allo stesso tempo contribuiscono ad aumentare la stabilità e la ciclabilità delle celle", spiega il Dr. Murat Tutus, capo del dipartimento Membrane e Separatori del Fraunhofer IAP.
Materiali e catalizzatori di carbonio biobased senza elementi critici
Il Fraunhofer IAP sviluppa materiali di carbonio biobased per elettrodi basati su materie prime rinnovabili come la cellulosa e la lignina. Oltre ai vantaggi economici ed ecologici, offrono anche un'ampia gamma di possibilità di formazione della struttura. Durante la produzione dei precursori e la carbonizzazione, è possibile regolare in modo specifico proprietà come la struttura dei pori, l'area superficiale specifica, la conducibilità elettrica e termica, la purezza chimica e la funzionalizzazione. Ciò consente di ottimizzare le strutture degli elettrodi, di integrare nuove funzioni e di sostituire parzialmente le materie prime fossili.
Nel campo dei catalizzatori, l'obiettivo è ridurre in modo significativo l'uso di elementi critici, garantendo al contempo un'elevata attività catalitica e una stabilità a lungo termine. Le dimensioni delle particelle, la chimica di superficie e le proprietà strutturali sono controllate con precisione per consentire processi industriali riproducibili. "La chiave è che possiamo regolare con precisione la struttura e la superficie. In questo modo si ottengono materiali con proprietà definite che sono scalabili e possono essere integrati in modo affidabile nei processi di produzione industriale", afferma il Dr. Christoph Gimmler, capo del dipartimento Nanoscale Energy and Structural Materials del Fraunhofer IAP.
Dallo sviluppo all'applicazione
I materiali sono attualmente in una fase avanzata di sviluppo. Sono disponibili campioni funzionali su scala di laboratorio e sono in corso i primi test su celle di batterie complete. Le attività sono inoltre ancorate al gruppo di lavoro sullo sviluppo dei materiali per lo stoccaggio e le applicazioni dell'energia (AK-MEA). Il trasferimento a scale di produzione più ampie viene effettuato in stretta collaborazione con i partner industriali. Nell'ambito di InterBattery, l'istituto cerca in particolare di coinvolgere partner internazionali per lo sviluppo congiunto di catalizzatori innovativi ad alte prestazioni, materiali a conduzione ionica e sistemi a membrana per applicazioni a batteria e idrogeno. Con i suoi sviluppi, il Fraunhofer IAP contribuisce a rendere le batterie più sicure, più durevoli e più sostenibili, consentendo ai clienti di raggiungere un time-to-market più rapido.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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