Più energia a parità di peso: Fraunhofer ottimizza le celle delle batterie
La nuova struttura aziendale mira a facilitare alle PMI l'avvio di una propria produzione di celle per batterie in Germania
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In collaborazione con partner del mondo della ricerca e dell’industria, l’Istituto Fraunhofer per i sistemi energetici solari ISE ha modificato la struttura degli elettrodi delle batterie in modo che le celle possano immagazzinare dal 10 al 15 per cento di energia in più a parità di peso. Ciò è stato possibile triplicando abbondantemente lo spessore del rivestimento degli elettrodi delle batterie — ad esempio nelle batterie agli ioni di litio — il che riduce contemporaneamente il numero di collettori di corrente nella cella. Il team di ricerca ha implementato la nuova architettura degli elettrodi in celle a sacchetto agli ioni di litio prodotte utilizzando processi standard del settore. Inoltre, ha applicato con successo il concetto alle celle delle batterie agli ioni di zinco e agli ioni di sodio.
«Normalmente, l’anodo e il catodo – i due elettrodi di una cella – sono costituiti da numerosi strati sottili e alternati di rivestimento elettrodico e collettori di corrente», spiega il dott. Oliver Fitz, responsabile del gruppo per la tecnologia delle celle presso il Fraunhofer ISE. “Siamo riusciti ad aumentare lo spessore del rivestimento dell’elettrodo dai 100–200 micrometri, che in precedenza erano lo standard, fino a 800 micrometri, riducendo così in modo significativo il numero di collettori di corrente necessari. Di conseguenza, disponiamo di molto più spazio per il materiale attivo, il che aumenta la densità energetica dal 10 al 15 per cento, a seconda del tipo e del design della batteria». Il team di ricerca del Fraunhofer ISE ha inizialmente convalidato sperimentalmente la nuova architettura degli elettrodi per batterie agli ioni di zinco, agli ioni di sodio e agli ioni di litio utilizzando piccole celle di batteria in laboratorio. Per le batterie agli ioni di litio, ha inoltre realizzato prototipi di celle a sacchetto con la struttura dell’elettrodo di nuova concezione su una linea di produzione semiautomatizzata nella moderna camera bianca del Laboratorio di produzione di materiali e celle per batterie del Fraunhofer ISE. «Il concetto di cella può essere facilmente adattato anche ad altre composizioni chimiche», aggiunge Oliver Fitz.
Gli elettrodi delle batterie sono privi di PFAS e vengono prodotti senza l’uso di solventi tossici. La nuova architettura delle celle è stata sviluppata in vista di una futura produzione di massa: una potenziale linea di produzione degli elettrodi presenta una complessità di processo significativamente inferiore rispetto a un sistema di rivestimento a umido all’avanguardia. Di conseguenza, i costi di investimento sono notevolmente inferiori. Anche i costi operativi risultano ridotti grazie al minore fabbisogno di spazio ed energia. Questa tecnologia apre quindi la possibilità, in particolare per le piccole e medie imprese, di creare propri impianti di produzione di celle per batterie in Germania. I risultati del progetto dimostrano un approccio promettente verso la futura industrializzazione di questa innovativa architettura di elettrodi e celle. Helmut Hechinger GmbH & Co. KG sostiene il consorzio di ricerca in qualità di partner industriale, apportando la propria competenza in materia di produzione. Il produttore di macchinari acp systems AG – anch’esso partner del progetto – sta sviluppando le attrezzature per la produzione degli elettrodi. «Partiti come fornitori tradizionali del settore automobilistico, da tempo stiamo diversificando la nostra attività verso mercati, prodotti e settori orientati al futuro», spiega Markus Duffner, amministratore delegato di Hechinger. «Ad esempio, generiamo già oltre il 30 per cento del nostro fatturato nel settore della mobilità elettrica. Se le prossime fasi di scalabilità e validazione mostreranno prospettive promettenti sia in termini di costi che di prestazioni, potremmo valutare l’industrializzazione. Vediamo un grande potenziale nel Baden-Württemberg per la produzione di batterie incentrata sull’accumulo stazionario».
«In un sistema energetico climaticamente neutro con fonti energetiche fluttuanti come il solare e l’eolico, l’accumulo stazionario in batterie è una componente fondamentale per coprire i picchi di consumo elettrico mattutini e serali», afferma il Prof. Dr. Andreas Bett, direttore del Fraunhofer ISE. «In California, ad esempio, i sistemi di accumulo in batterie forniscono già la maggior parte dell’elettricità durante le ore serali. La Germania farebbe bene a potenziare la propria capacità produttiva per soddisfare la crescente domanda di batterie e creare così valore all’interno del Paese. Se potessimo contribuire a questo obiettivo, ne saremmo molto felici.”
«Questa tecnologia è il risultato di molti anni di ricerca presso il Fraunhofer ISE. Il nostro successo nel raggiungere questa pietra miliare dello sviluppo è in parte dovuto ai finanziamenti del BMWE, del BMFTR e del Ministero dell’Economia del Baden-Württemberg, nonché alla collaborazione basata sulla fiducia con i nostri partner», afferma il Dr.-Ing. Daniel Biro, responsabile del Dipartimento di Accumulo di Energia Elettrica presso il Fraunhofer ISE.
Il team di ricerca ha sviluppato il nuovo design degli elettrodi e delle celle nell’ambito dei progetti “VORAN – Innovativo sistema di accumulo con batterie agli ioni di sodio per applicazioni fisse e mobili” (in corso fino a giugno 2027), «INFAB – Batterie agli ioni di zinco per l’accumulo di energia stazionaria – Produzione e assemblaggio» (concluso) e «WinZIB2 – Sistema innovativo di batterie agli ioni di zinco implementabile a livello globale» (concluso), in collaborazione con i partner acp systems AG, Helmut Hechinger GmbH & Co. KG, l’Istituto per il fotovoltaico (ipv) dell’Università di Stoccarda e l’Istituto di Tecnologia di Karlsruhe/Istituto Helmholtz di Ulm. Il Ministero federale dell’Economia e dell’Energia (BMWE) ha finanziato la ricerca nell’ambito dei progetti VORAN e InFAB, mentre il Ministero federale dell’Istruzione e della Ricerca (BMBF) ha finanziato il progetto WinZIB2.
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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