Alluminio al posto della grafite: il Fraunhofer IPA risolve un problema fondamentale nella ricerca sugli anodi
La cella a batteria priva di PFAS diventa realizzabile su scala industriale
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L’alluminio è da tempo considerato un materiale promettente per gli anodi delle batterie agli ioni di litio, ma le perdite di capacità e il degrado strutturale del materiale ne hanno finora impedito l’impiego industriale. Il Fraunhofer IPA ha ora compiuto un balzo in avanti in termini di innovazione tecnologica: una tecnologia brevettata stabilizza l’anodo in alluminio durante cicli ripetuti di carica e scarica. Ciò rende praticamente utilizzabile una tecnologia che combina elevate densità energetiche con un’architettura delle celle sostenibile, sicura, economica e robusta.
Elevato potenziale – finora limitato dai danni al materiale
L’alluminio è da tempo considerato un materiale promettente per gli anodi delle batterie agli ioni di litio. È disponibile, economico e consente di ottenere elevate capacità. Lo stato dell’arte precedente presentava tuttavia una sfida significativa: durante la carica e la scarica, l’alluminio modifica il proprio volume. Ciò genera tensioni meccaniche che provocano crepe, la formazione di pori e, infine, la polverizzazione del materiale dell’elettrodo. La conseguenza è una capacità in calo e una durata limitata della cella. Questi danni al materiale hanno finora impedito l’impiego industriale degli anodi in alluminio.
Innovazioni brevettate stabilizzano l’anodo in alluminio
L’Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e l’automazione (IPA), in collaborazione con l’Istituto di fotovoltaica dell’Università di Stoccarda, ha sviluppato e ora brevettato una tecnologia per celle ed elettrodi che impedisce proprio questi processi di invecchiamento, risolvendo così il problema centrale. Le innovazioni stabilizzano i materiali durante il funzionamento e mantengono il contatto elettrico all’interno dell’elettrodo per numerosi cicli di carica e scarica.
«Stiamo rendendo utilizzabile nella pratica una tecnologia delle batterie nota da tempo, ma finora difficile da padroneggiare», afferma il professor Kai Peter Birke, direttore scientifico per i sistemi e gli accumulatori a batteria e a idrogeno presso il Fraunhofer IPA. «Il nostro approccio combina elevate densità energetiche con una chimica delle celle semplice, robusta e orientata alla sicurezza.» La tecnologia non richiede l’uso di grafite o silicio nell’anodo. Ciò elimina le sfide tipiche degli anodi convenzionali ad alta energia con un’elevata percentuale di silicio, legate alle forti variazioni di volume e ai conseguenti danni ai materiali durante i processi di carica e scarica. Inoltre, è possibile fare a meno della grafite, ampiamente utilizzata nell’anodo, che rappresenta un grave rischio di approvvigionamento per l’industria europea delle batterie.
Il materiale di base dell’anodo in alluminio è una lamina di alluminio legata, disponibile in commercio a basso costo, che svolge contemporaneamente il ruolo di conduttore di corrente e di materiale attivo. In questo modo è possibile rinunciare completamente al rame come lamina di supporto. Inoltre, viene meno il complesso processo di rivestimento necessario per rendere il materiale attivo utilizzabile come elettrodo. Ciò riduce notevolmente non solo i costi di processo, ma anche il fabbisogno energetico nella produzione degli elettrodi.
Catodo al litio-ossido di manganese come alternativa al catodo al litio-fosfato di ferro
Come concetto di cella, questo anodo in alluminio può essere combinato in modo eccellente con un catodo a base di ossido di litio-manganese (LMO) economico e privo di fluoro. Ciò consente di ottenere una densità energetica competitiva nelle celle a batteria basate su LMO e offre un’alternativa economica e priva di fosfati alla diffusa cella al litio-ferro-fosfato.
Inoltre, questo anodo in alluminio può essere utilizzato con solventi elettrolitici alternativi con un elevato punto di infiammabilità, che consentono un funzionamento sicuro a temperature elevate. Questa combinazione di un elettrolita alternativo privo di fluoro e di un catodo LMO privo di fluoro consentirebbe una struttura della cella completamente priva di fluoro e quindi anche di PFAS. Il rischio di fuoriuscita di acido fluoridrico altamente tossico da una batteria agli ioni di litio verrebbe così completamente eliminato.
Poiché la stabilità dei materiali diventa ora controllabile, si aprono nuove possibilità di applicazione per l’anodo in alluminio. Questa chimica delle celle, sicura e robusta, ne consente l’impiego nel trasporto aereo, ad esempio per il tracciamento dei container, o in apparecchiature mediche specializzate. Queste applicazioni richiedono sistemi di accumulo di energia che possano funzionare in modo compatto, affidabile e sicuro.
Produzione possibile con gli impianti esistenti
Un ulteriore vantaggio: la chimica della cella è concepita per la produzione su impianti esistenti. Ciò consente di integrarla nei processi industriali esistenti senza dover realizzare ex novo intere infrastrutture di produzione. Gli scienziati guidati dal professor Birke hanno realizzato diversi prototipi della loro batteria di nuova concezione e li stanno attualmente testando nei laboratori del Centro per la produzione digitalizzata di celle per batterie (ZDB) presso il Fraunhofer IPA.
«Il nostro obiettivo è una tecnologia delle batterie che coniughi elevata densità energetica, funzionamento robusto delle celle e producibilità economica», afferma Kathrin Schad del team di ricerca sulle tecnologie delle batterie presso il Fraunhofer IPA. «La svolta nella stabilità dei materiali rende le batterie con anodi in alluminio un’opzione realistica per la prossima generazione di sistemi di accumulo energetico ad alte prestazioni.»
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 Tedesco può essere trovato qui.
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