Maggiore autonomia con lo stesso peso: la batteria al silicio ha superato il test in laboratorio
Un successo fondamentale nella ricerca sulle batterie: le celle a foglia con anodi ricchi di silicio hanno superato la prova di oltre 1.000 cicli senza perdere più dell’80 percento della loro capacità. Scopri quali parametri svolgono un ruolo importante e cosa significhi questo progresso per le auto elettriche.
Immagine: Fraunhofer ISE
Gli studiosi dell’Istituto Fraunhofer per i Sistemi di Energia Solare (ISE), nell’ambito del progetto “StrOboBatt”, sono riusciti a far funzionare una cella a foglia auto-costruita da 25 Ah con anodi ricchi di silicio per oltre 1.000 cicli completi. Dopo il test, la cella presentava ancora una capacità residua superiore all’83 percento. In questo modo il progetto di ricerca ha raggiunto 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 dilatazione
La caratteristica distintiva della cella a membrane è la sua anoda ricca di silicio, poiché consente una densità energetica maggiore rispetto alle anode tradizionali in grafite. Finora, però, il silicio non può essere utilizzato come materiale per le anode, poiché il suo volume si espande fino al 300 percento durante la carica a causa dell’assorbimento di ioni di litio (quadruplicando) e si contrae nuovamente durante la scarica. Questo forte movimento provoca la perdita del contatto elettrico all’interno dell’elettrodo e accelera la decomposizione dell’elettrolita. La conseguenza è un invecchiamento eccessivamente rapido della cella, rendendola impraticabile per un utilizzo reale. A confronto: il grafite si espande soltanto di circa dieci-dodici percento.
Per ridurre la sollecitazione meccanica causata dall’ampia deformazione, i ricercatori del Fraunhofer ISE hanno utilizzato un composto di silicio e carbonio che costituisce il 51 percento del materiale attivo dell’anodo. Insieme a una catodo ricca di nichel, le celle in foglia sono state prodotte su una linea pilota simile a quella industriale.
Pressione e dinamica di carica: fattori decisivi
In laboratorio, i prototipi di celle batteriche sono stati sottoposti, durante la carica e lo scarico, anche a una pressione assiale di 1.000 kilopascal (circa 10 bar). In questo caso il contatto tra gli elettrodi è rimasto stabile nonostante il movimento del materiale. Con una pressione inferiore, di 300 kilopascal (circa 3 bar), invece, la capacità utilizzabile diminuiva in modo molto più rapido. Così, la pressione meccanica esterna si è rivelata un parametro fondamentale.
Inoltre, i test effettuati sotto carichi dinamici tipici della vita quotidiana hanno dimostrato che la capacità utilizzabile a elevate prestazioni diminuisce prima rispetto ai cicli di test meno intensivi. Ciò fornisce un indicatore importante per l’utilizzo futuro nelle auto elettriche, i cui sistemi di gestione della batteria devono tenere conto di questo aspetto.
Le cellule testate hanno raggiunto una densità energetica gravimetrica di 280 Wh/kg. Tuttavia, il Fraunhofer ISE afferma che con una produzione in serie ottimizzata industrialmente si potrebbero raggiungere circa 330 Wh/kg. Una batteria con 330 Wh/kg significherebbe un aumento di circa il 20-35 percento rispetto alle attuali cellule NMC e NCA, e quasi un raddoppio rispetto alle cellule LFP.
Materie prime europee per una maggiore autonomia
Nella pratica ciò significa che un’auto elettrica potrebbe disporre della stessa massa di batteria ma, invece dei circa 75 kWh attuali, di una capacità di storage di quasi 100 kWh. Ciò aumenterebbe l’autonomia reale di un veicolo di medie dimensioni, da circa 450 chilometri a ben oltre i 600 chilometri.
Oltre all’aumento dell’autonomia, questa tecnologia offre un vantaggio strategico per il settore industriale. Poiché attualmente il grafite deve essere importato per lo più dall’estero, un maggiore utilizzo di composti a base di silicio permette di spostare in parte la creazione di valore dei materiali in Europa, dato che il silicio può essere estratto a livello locale e in modo sintetico.