Fraunhofer stabilizza gli anodi in alluminio per le batterie al litio-ione
Fraunhofer IPA e l’Università di Stoccarda hanno sviluppato una nuova tecnologia per celle ed elettrodi destinata agli anodi in alluminio. Questa tecnologia mira a rendere gestibili i cambiamenti di volume, precedentemente problematici, durante la carica e lo scarico, consentendo così l’uso dell’alluminio come materiale per anodi in applicazioni pratiche di batterie.
L’ottone di alluminio funge sia da materiale attivo che da raccoglitore di corrente.
Immagine: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
L’alluminio è da tempo considerato un potenziale sostituto del grafite o del silicio nelle batterie al litio-ione. Questo materiale è relativamente economico, ampiamente disponibile e offre elevate capacità. Tuttavia, in pratica questo approccio finora non ha avuto successo a causa dello stress meccanico sull’elettrodo: durante la carica e lo scaricamento, l’alluminio subisce variazioni di volume che possono causare crepe, pori e, in definitiva, la polverizzazione del materiale dell’elettrodo. Il risultato è una perdita di capacità e una vita utile limitata.
L’Istituto Fraunhofer per l’Ingegneria della Produzione e l’Automazione IPA, insieme all’Istituto di Fotovoltaica dell’Università di Stoccarda, ha ora sviluppato e brevettato una tecnologia per celle ed elettrodi in grado di contrastare questi processi di invecchiamento. Secondo i ricercatori, questo approccio stabilizza i materiali durante il funzionamento e mantiene il contatto elettrico all’interno dell’elettrodo anche dopo numerosi cicli di carica e scarica.
“Stiamo creando una tecnologia per batterie già conosciuta da tempo, ma fino ad ora difficile da rendere praticamente utilizzabile”, ha dichiarato Kai Peter Birke, Direttore Scientifico per Sistemi e Stoccaggio a Batteria e Idrogeno presso Fraunhofer IPA, in un comunicato stampa in lingua tedesca.
Questo approccio elimina completamente il grafite e il silicio dall’anodo. Ciò potrebbe non solo ridurre la domanda di grafite, considerata una materia prima fondamentale per l’industria delle batterie europea, ma eliminere anche i problemi legati ai notevoli cambiamenti di volume negli anodi ad alto contenuto di silicio. Un’altra differenza risiede nella struttura dell’elettrodo: il materiale di partenza è una lamina d’alluminio legato disponibile commercialmente, che funge sia da materiale attivo che da raccoglitore di corrente. Questo elimina la necessità della lamina di rame solitamente utilizzata negli anodi convenzionali.
La lamina d’alluminio funge da materiale attivo e raccoglitore di corrente
Viene inoltre eliminato un processo di rivestimento separato, utilizzato per applicare il materiale attivo sul collettore di corrente. Ciò dovrebbe ridurre sia i costi di produzione che il consumo energetico durante la fabbricazione degli elettrodi. I ricercatori indicano l’ossido di litio-manganese (LMO) come possibile cattodo; in combinazione con l’anodo di alluminio, sarebbe possibile ottenere una densità energetica competitiva. Allo stesso tempo, la chimica della cella sarebbe priva di fosfati e potrebbe quindi rappresentare un’alternativa economica rispetto alle cellule a fosfato di litio-ferro.
L’anodo di alluminio potrebbe essere abbinato anche a solventi elettrolitici con un alto punto di fiammazione. Insieme a un cattodo LMO privo di fluoro, secondo Fraunhofer sarebbe addirittura possibile creare una struttura di cella completamente priva di fluoro e, di conseguenza, di PFAS. Ciò eviterebbe inoltre il rischio di formazione di fluoruro di idrogeno in caso di incendio della batteria.
Fraunhofer vede applicazioni iniziali principalmente in ambiti in cui sicurezza, robustezza e spazio di installazione ridotto sono particolarmente importanti. Tra questi figurano, tra gli altri, le applicazioni nel trasporto aereo, i sistemi di tracciamento per i container e i dispositivi medici specializzati.
Per un utilizzo industriale futuro, è rilevante che la chimica delle celle possa essere prodotta nelle attuali strutture di produzione. Secondo l’istituto, non sarebbe quindi necessaria una ricostruzione completa dell’infrastruttura di produzione. Sono già stati realizzati diversi prototipi che attualmente vengono testati presso il Centro per la produzione digitalizzata di celle batteriche di Fraunhofer IPA. Nella dichiarazione attuale, l’istituto non ha ancora fornito dettagli sui numeri specifici di ciclo, né sulla densità energetica gravimetrica o volumetrica.
In parallelo, Fraunhofer sta lavorando a nuovi approcci per migliorare le celle batteriche a livello di materiale e architettura. A settembre, il Fraunhofer ISE ha presentato un’architettura di cella caratterizzata da elettrodi notevolmente più spessi. Riducendo la proporzione di raccoglitori di corrente, è possibile aumentare la densità energetica del 10 al 15 percento, a seconda del tipo e della progettazione della batteria. Questo approccio si trova ancora nella fase di ricerca e deve prima dimostrare la propria scalabilità industriale.