Le celle al silicio superano i 1.000 cicli e consentono batterie con maggiore autonomia

Fare sì che un’auto elettrica percorra più chilometri non dovrebbe dipendere sempre dall’installazione di una batteria più grande e pesante. Uno dei modi per evitarlo consiste nell’aumentare la densità energetica. In questo ambito il silicio suscita da tempo interesse, sebbene presenti anche un problema difficile da risolvere: mantenere le sue prestazioni dopo numerosi cicli di carica e scarica.

L’istituto tedesco Fraunhofer ISE ha compiuto un passo in questa direzione nell’ambito del progetto StrOboBatt. I suoi ricercatori hanno sviluppato cellule di tipo “borsa”, con una capacità di 25 Ah e anodi arricchiti di silicio, che hanno superato 1.000 cicli completi conservando oltre l’83% della loro capacità iniziale. Un risultato significativo per una tecnologia il cui potenziale energetico è stato finora limitato dalla sua degradazione.

Un ciclo completo non corrisponde a collegare l’auto una sola volta. Significa caricare e scaricare una quantità di energia equivalente all’intera capacità della batteria, energia che può essere accumulata attraverso diverse cariche parziali. Per questo motivo, questo tipo di test permette di studiare la resistenza all’uso, anche se da solo non determina per quanti anni o chilometri durerà un pacco batterie installato in un’auto.

Il silicio permette di immagazzinare più energia, ma richiede il controllo della sua espansione

L’attrattiva del silicio risiede nella sua capacità di immagazzinare litio, molto superiore a quella del grafite solitamente utilizzato negli anodi. Il problema sorge durante la carica: il suo volume può aumentare fino al 300%, per poi contrarsi durante la scarica. Ripetere questo movimento sottopone l’elettrodo a uno sforzo notevole e può deteriorare le sue connessioni interne, oltre a favorire reazioni che accelerano l’invecchiamento.

Per ridurre tali problemi, i ricercatori hanno utilizzato un materiale composto da silicio e carbonio, combinato con grafite. Questo composto rappresenta il 51% del materiale attivo dell’anodo, una precisione importante: non significa che metà dell’anodo sia silicio puro. L’insieme viene abbinato a un catodo NMC ricco di nichel.

Uno degli aspetti decisivi dello studio è stata la pressione applicata alle celle. Con una pressione esterna di circa 10 bar, il comportamento a lungo termine è stato migliore rispetto a quello osservato con circa 3 bar. Mantenere il contatto tra i materiali aiuta a limitare le conseguenze dei loro cambiamenti di volume, tanto che anche la struttura che tiene ferme le celle fa parte della sfida da affrontare.

Questo ha una conseguenza pratica per i produttori: non basta sviluppare un materiale in grado di immagazzinare molta energia, ma è necessario integrarlo in una batteria che mantenga le condizioni appropriate durante il funzionamento. Gli elementi di fissaggio, il sistema di raffreddamento e le protezioni occupano anch’essi spazio e hanno un peso specifico, pertanto il vantaggio ottenuto con una singola cella deve essere verificato successivamente sull’intero pacchetto.

Gli test hanno inoltre rilevato una differenza sempre maggiore tra la capacità misurata con scariche leggere e quella disponibile quando le celle vengono sottoposte a carichi più elevati. Si tratta di un aspetto importante per un’auto elettrica, dove la domanda di energia cambia costantemente. Mantenere una certa capacità nei test in laboratorio non garantisce che essa rimanga utilizzabile nello stesso modo sotto carichi più intensi.

La densità energetica misurata è stata di 280 Wh/kg, mentre l’istituto stima che un formato industriale ottimizzato potrebbe raggiungere circa 330 Wh/kg. Il secondo valore è una previsione, non il risultato già dimostrato in queste cellule. Tra i due valori c’è un miglioramento dell’ordine del 18%, anche se questo non si tradurrebbe automaticamente in un aumento dell’18% nell’autonomia dell’auto.

Per comprendere il potenziale, possiamo utilizzare un esempio semplice. Se in futuro un pacchetto di batterie riuscisse a passare da 75 a 100 kWh mantenendo lo stesso peso e l’auto conservasse lo stesso consumo, l’autonomia aumenterebbe di circa il 33%. Una distanza di 450 chilometri diventerebbe quindi circa 600 chilometri. Si tratta di un’esemplificazione matematica del vantaggio auspicato, non di un’autonomia misurata da Fraunhofer né di un miglioramento garantito da questo test.

Esiste anche un’altra possibilità altrettanto interessante: mantenere la capacità e ridurre il peso della batteria. Per un acquirente che già dispone di un’autonomia sufficiente, questa opzione potrebbe rivelarsi più utile che continuare ad accumulare chilometri teorici. La scelta dipenderà dal costo di produzione di queste celle e dal loro comportamento una volta integrate in un’auto.

Il progetto aggiunge inoltre una dimensione industriale europea. Sostituire parte del grafite con composti di silicio potrebbe aiutare a diversificare l’approvvigionamento dei materiali e trasferire parte di questa attività in Europa. Ciò non elimina la necessità di elaborarli con qualità e a un prezzo competitivo, ma apre una strada per ridurre le dipendenze.

Ci vuole ancora del lavoro prima di trovare questa soluzione in un modello di produzione. Bisognerà dimostrare che mantiene i propri vantaggi in un pacchetto, a diverse temperature e nel corso di anni di utilizzo. Il passo successivo sarà far sì che questi buoni risultati sopravvivano al di fuori del laboratorio, senza che il peso e i costi per mantenere le celle sotto controllo compromettano i vantaggi ottenuti.

Fonte | ise.fraunhofer