Fraunhofer sviluppa anodi in alluminio per batterie a ioni di litio
Il Fraunhofer IPA e l’Università di Stoccarda hanno sviluppato una nuova tecnologia per cellule ed elettrodi destinata alle anode in alluminio. Questa tecnologia dovrebbe rendere controllabili le attuali variazioni di volume che si verificano durante la carica e lo scarico, rendendo così l’alluminio utilizzabile come materiale per anode in applicazioni batteriche pratiche.
La pellicola di alluminio funge da materiale attivo e da conduttore di corrente.
Immagine: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
L’alluminio è da tempo considerato un possibile sostituto del grafite o del silicio nelle batterie agli ioni di litio. Questo materiale è relativamente economico, ampiamente disponibile e permette capacità elevate. Tuttavia, nella pratica questo approccio ha finora fallito a causa della sollecitazione meccanica sull’elettrodo: durante la carica e lo scarico l’alluminio cambia volume, il che può causare crepe, porosità e infine la polverizzazione del materiale dell’elettrodo. Di conseguenza si verificano perdite di capacità e una vita utile limitata.
L’Istituto Fraunhofer per la Tecnologia di Produzione e l’Automazione IPA ha ora sviluppato e brevettato, in collaborazione con l’Istituto di Fotovoltaica dell’Università di Stoccarda, una tecnologia per celle ed elettrodi in grado di contrastare tali processi di invecchiamento. Secondo i ricercatori, questo approccio stabilizza i materiali durante il funzionamento e mantiene il contatto elettrico all’interno dell’elettrodo per molti cicli di carica e scarica.
“Rendiamo praticamente utilizzabile una tecnologia batterica da tempo nota, ma finora difficile da controllare”, afferma Kai Peter Birke, direttore scientifico per sistemi e accumulatori a batteria e idrogeno presso l’IPA di Fraunhofer.
Questo approccio elimina completamente il grafite e il silicio dall’anodo. In questo modo non solo si potrebbe ridurre la domanda di grafite, considerato un materiale grezzo cruciale per l’industria delle batterie europea, ma scomparirebbero anche i problemi legati a forti variazioni di volume che si verificano negli anodi ad alto contenuto di silicio. Un’altra differenza risiede nella struttura dell’elettrodo: come materiale di partenza viene utilizzata una pellicola d’alluminio legato comunemente in commercio, che funge contemporaneamente da materiale attivo e da conduttore di corrente. Grazie a ciò è possibile rinunciare alla pellicola di rame solitamente utilizzata negli anodi tradizionali.
La pellicola d’alluminio funge da materiale attivo e da conduttore di corrente
Anche un processo di rivestimento separato, con cui il materiale attivo viene applicato sul conduttore elettrico, non è più necessario. Ciò dovrebbe ridurre sia i costi di produzione sia il consumo energetico nella fabbricazione delle elektrodi. I ricercatori indicano il litio-manganossido, abbreviato in LMO, come possibile cattodo. In combinazione con l’anodo di alluminio si potrebbe raggiungere una densità energetica competitiva. Inoltre, la chimica della cella sarebbe priva di fosfati e potrebbe quindi rappresentare un’alternativa economica alle cellule a litio-fosfato di ferro.
L’anodo di alluminio potrebbe inoltre essere abbinato a solventi elettrolitici ad alto punto di ebollizione. Insieme a un cattodo LMO privo di fluoro, secondo Fraunhofer sarebbe addirittura possibile realizzare una struttura di cella completamente priva di fluoro e, di conseguenza, anche di PFAS. In questo modo si potrebbe evitare il rischio di formazione di idrogeno fluoruro in caso di incendio della batteria.
Fraunhofer prevede le prime applicazioni soprattutto in ambiti in cui sicurezza, robustezza e spazio di montaggio ridotto sono particolarmente importanti. Tra queste vengono menzionate le applicazioni nel trasporto aereo, i sistemi di tracciamento per contenitori di trasporto e dispositivi medici specializzati.
Per un utilizzo industriale futuro è rilevante che la chimica delle cellule possa essere prodotta su impianti di produzione esistenti. Secondo l’istituto, non sarebbe quindi necessaria una ricostruzione completa dell’infrastruttura di produzione. Diversi prototipi sono già stati realizzati e attualmente vengono testati presso il Centro per la produzione digitalizzata di cellule batteriche del Fraunhofer IPA. Nella comunicazione attuale l’istituto non fornisce ancora dati specifici riguardo al numero di cicli, alla densità energetica gravimetrica o volumetrica.
Nel frattempo, Fraunhofer sta lavorando a ulteriori approcci per migliorare le celle batteriche a livello di materiale e architettura. Solo a settembre, il Fraunhofer ISE ha presentato un’architettura di cella caratterizzata da elettrodi notevolmente più spessi. Grazie a una minore percentuale di materiali conduttori, si prevede che la densità energetica aumenti del 10-15 percento a seconda del tipo di batteria e della sua progettazione. Anche questo approccio si trova ancora a livello di ricerca e deve prima dimostrare la propria scalabilità industriale.