Cosa c’è nella batteria del futuro?

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Sotto pressione: Kostiantyn Kravchyk studia se la crescita indesiderata di dendr
Sotto pressione: Kostiantyn Kravchyk studia se la crescita indesiderata di dendriti può essere ridotta con la pressione. Il lavoro sulle nuove batterie viene svolto in un’atmosfera protettiva. Immagine: Empa
Il gruppo di ricerca dell’Empa di Maksym Kovalenko sviluppa materiali innovativi per le batterie di domani. Che si tratti di auto elettriche a ricarica rapida o di accumulatori di elettricità a basso costo: per ogni applicazione trovano un materiale promettente o un processo di produzione innovativo.

Cosa rende una batteria buona? È la sua capacità? La velocità di ricarica? O il prezzo? La risposta dipende dal luogo di utilizzo della batteria, spiega il ricercatore Kostiantyn Kravchyk. Nel gruppo "Functional Inorganic Materials", che è diretto da Maksym Kovalenko e fa parte del laboratorio "Thin Films and Photovoltaics" dell’Empa, lo scienziato sta sviluppando nuovi materiali per rendere le batterie di domani più potenti e veloci, o addirittura più economiche.

Due aree di applicazione delle batterie ricaricabili sono cruciali per la transizione energetica: da un lato, la mobilità elettrica e, dall’altro, i sistemi di accumulo stazionario che immagazzinano l’elettricità da fonti rinnovabili come l’energia eolica e solare. Le batterie per le auto elettriche devono essere compatte e leggere, avere una capacità elevata e ricaricarsi il più rapidamente possibile. Le batterie stazionarie possono occupare più spazio. Tuttavia, sono economiche solo se costano il meno possibile.

Fondamentalmente, ogni batteria è composta da un catodo, un anodo e un elettrolita. Nelle batterie convenzionali agli ioni di litio, l’anodo è costituito da grafite e il catodo da un ossido misto di litio e altri metalli, come l’ossido di litio cobalto(III). L’elettrolita conduce gli ioni di litio dal catodo all’anodo e viceversa, a seconda che la cella sia carica o scarica.

Quando si parla di batterie per l’elettromobilità, è auspicabile la massima densità energetica possibile. "Con un anodo fatto di litio metallico puro invece che di grafite, potremmo immagazzinare molte volte più energia in una cella delle stesse dimensioni", spiega Kravchyk. Tuttavia, il litio non viene reintegrato in modo uniforme quando la cella viene caricata e scaricata. Questo porta alla formazione dei cosiddetti dendriti: strutture ramificate di litio metallico che possono mandare in cortocircuito la batteria.

Un modo per rallentare la crescita delle dendriti è quello di utilizzare elettroliti solidi. Nelle cosiddette batterie allo stato solido, uno strato di materiale solido conduce gli ioni di litio dal catodo all’anodo e viceversa, invece di un liquido.

Tuttavia, i requisiti del materiale elettrolitico sono elevati. "Stiamo parlando di caricare le batterie in dieci o quindici minuti", spiega Kravchyk. "Questo richiede una densità di corrente molto elevata, che crea dendriti anche nelle batterie allo stato solido". La densità di corrente è il rapporto tra l’intensità di corrente e l’area in cui scorre la corrente. Un altro pericolo è che la deposizione e l’applicazione non uniforme del litio provochi la formazione di cavità al confine tra l’elettrodo e l’elettrolita solido, riducendo la superficie disponibile e aumentando ulteriormente la densità di corrente.

Un materiale, due strati

Nell’ambito della linea di finanziamento Fraunhofer ICON ("International Cooperation and Networking"), Kravchyk e altri ricercatori hanno sviluppato ulteriormente un elettrolita solido promettente. Il materiale, l’ossido di litio-lantanio-zirconio, o LLZO, ha un’elevata conducibilità ionica e stabilità chimica, proprietà ideali per l’uso nelle batterie.

"Abbiamo trasformato l’LLZO in una membrana a due strati composta da uno strato denso e uno poroso", spiega Kravchyk. Se il litio viene depositato nei pori, si crea una superficie di contatto molto ampia tra il litio e l’elettrolita, e la densità di corrente rimane bassa. Lo strato denso assicura che nessun dendrite possa crescere verso l’altro elettrodo e causare un cortocircuito. I ricercatori hanno pensato anche all’economicità: hanno sviluppato un processo semplice, economico e scalabile per produrre le membrane a due strati.

Ferro economico al posto del costoso cobalto

I ricercatori hanno adottato un approccio completamente diverso in un progetto incentrato sull’accumulo stazionario di energia rinnovabile. "Il parametro di gran lunga più importante per l’accumulo stazionario è il prezzo", spiega Kravchyk. Le batterie che oggi vengono occasionalmente utilizzate per l’accumulo stazionario sono basate sulla tecnologia agli ioni di litio e sono relativamente costose. "Per questo motivo, la maggior parte dei requisiti di stoccaggio è ancora coperta dalle centrali di pompaggio, anche se hanno una densità energetica molto bassa rispetto alle batterie", continua il ricercatore.

Uno dei maggiori fattori di costo per le batterie stazionarie è rappresentato dai materiali utilizzati. Oltre al litio, si tratta di cobalto e nichel, necessari per la produzione del catodo nelle batterie agli ioni di litio. La ricerca di materiali migliori per il catodo ha portato rapidamente i ricercatori a uno degli elementi più comuni della crosta terrestre: il ferro.

Per il loro catodo, i ricercatori hanno combinato il metallo favorevole con il fluoruro. Più precisamente, hanno utilizzato l’idrossifluoruro di ferro (III). "I precedenti approcci alla realizzazione di una batteria basata sui fluoruri di ferro si basavano sulla conversione chimica", spiega Kravchyk. Ciò comporta la conversione degli ioni di ferro in ferro metallico. "Questo processo non è molto stabile", spiega il ricercatore. "L’ideale sarebbe che gli ioni si spostassero semplicemente da un polo all’altro senza subire grandi cambiamenti strutturali".

Una sfida per i ricercatori, poiché i fluoruri hanno una scarsa conduttività, sia per gli elettroni che per gli ioni di litio. Tuttavia, il team di Kravchyk ha trovato la soluzione: utilizzando un processo semplice e poco costoso, ha formato l’idrossifluoruro di ferro (III) in una speciale struttura cristallina. Questa struttura, detta piroclore, contiene al suo interno canali che conducono gli ioni di litio.

"Siamo riusciti a ottenere prestazioni comparabili con la nostra batteria a un prezzo significativamente inferiore", afferma Kravchyk. "Siamo sorpresi dal fatto che finora quasi nessuno abbia studiato come produrre questo promettente materiale a basso costo".