Maggiore autonomia con lo stesso peso: la batteria al silicio supera i test di laboratorio

Un importante progresso nella ricerca sulle batterie ha permesso di verificare che le celle a film con anodi ricchi di silicio resistono a oltre 1.000 cicli di test senza che la loro capacità scenda al di sotto dell’80 per cento. Esploriamo i parametri chiave e le implicazioni di questo sviluppo per i veicoli elettrici.

Immagine: Fraunhofer ISE

I ricercatori dell’Istituto Fraunhofer per i Sistemi di Energia Solare (ISE) hanno fatto funzionare con successo una cella a sacchetto auto-prodotta da 25 Ah, dotata di anodi ricchi di silicio, per oltre 1.000 cicli completi nell’ambito del progetto “StrOboBatt”. Dopo i test, la cella ha mantenuto più dell’83 percento della sua capacità iniziale. Questo risultato rappresenta un importante traguardo nello sviluppo delle batterie: 1.000 cicli completi con una conservazione della capacità di almeno l’80 percento è considerata la soglia minima per un utilizzo commerciale.

Silicio: alta densità energetica, ma estrema espansione

La cella a sacca si distingue per il suo anodo ricco di silicio, che consente una densità energetica più elevata rispetto agli anodi tradizionali in grafite. Tuttavia, il silicio non è ancora stato ampiamente adottato come materiale per gli anodi, poiché il suo volume aumenta fino al 300 percento (quadruplicandosi) durante la carica a causa dell’assorbimento di ioni di litio, per poi ridursi nuovamente durante la scarica. Questo notevole movimento provoca la perdita del contatto elettrico all’interno dell’elettrodo e accelera la decomposizione dell’elettrolita. Di conseguenza, la cella si degrada troppo rapidamente per essere utilizzata in pratica. A confronto, il grafite aumenta di volume solo del 10-12 percento circa.

Per ridurre lo stress meccanico causato da questa estrema espansione, i ricercatori di Fraunhofer ISE hanno utilizzato un composito di silicio e carbonio, che costituisce il 51 percento del materiale attivo dell’anodo. Abbinato a un catodo ricco di nichel, la cella a sacchetto è stata prodotta su una linea pilota su scala industriale.

Pressione e dinamiche di carica sono fattori chiave

In laboratorio, i prototipi delle celle batteriche sono stati sottoposti anche a una pressione assiale di 1.000 kilopascal (circa 10 bar) durante la carica e lo scarico. Nonostante il movimento del materiale, il contatto tra gli elettrodi è rimasto stabile. Tuttavia, a una pressione inferiore di 300 kilopascal (circa 3 bar), la capacità utilizzabile diminuiva in modo significativamente più rapido. Pertanto, la pressione meccanica esterna si è rivelata un parametro decisivo.

I test condotti in condizioni dinamiche reali hanno inoltre dimostrato che la capacità utilizzabile diminuisce più rapidamente a elevati livelli di potenza rispetto ai cicli di test meno intensivi. Ciò fornisce una preziosa indicazione per il futuro utilizzo nei veicoli elettrici, i cui sistemi di gestione della batteria devono tenere conto di questo fattore.

Le cellule testate hanno raggiunto una densità energetica gravimetrica di 280 Wh/kg. Tuttavia, Fraunhofer ISE afferma che una produzione su larga scala ottimizzata industrialmente potrebbe raggiungere circa 330 Wh/kg. Una batteria con 330 Wh/kg rappresenterebbe un aumento di circa il 20-35% rispetto alle attuali cellule NMC e NCA, e quasi il doppio della densità energetica delle cellule LFP.

Materie prime europee per una maggiore autonomia

In pratica, ciò significa che un veicolo elettrico potrebbe disporre di una capacità di storage di quasi 100 kWh, invece dei circa 75 kWh attuali con lo stesso peso della batteria. Questo aumenterebbe l’autonomia reale di un veicolo di medie dimensioni da circa 450 km a ben oltre i 600 km.

Oltre all’aumento dell’autonomia, questa tecnologia offre un vantaggio strategico per il settore industriale. Poiché attualmente il grafite viene importato principalmente dall’estero, un maggiore utilizzo di materiali compositi a base di silicio permette di spostare parzialmente la creazione di valore delle materie prime in Europa, visto che il silicio può essere ottenuto e prodotto sinteticamente a livello regionale.