Di cosa è fatta la batteria del futuro?

Il gruppo di ricerca dell’Empa guidato da Maksym Kovalenko sta ricercando materiali innovativi per le batterie di domani. Che si tratti di auto elettriche a ricarica rapida o di stoccaggio stazionario a basso costo, esiste un materiale promettente o un nuovo processo di produzione per ogni applicazione.

Sotto pressione: Kostiantyn Kravchyk studia se la crescita indesiderata dei dendriti può essere ridotta con la pressione. Il lavoro sulle nuove batterie viene effettuato in atmosfera protettiva. Immagine: Empa

Quali sono le caratteristiche di una buona batteria? È la sua capacità? Quanto velocemente si ricarica? O il suo prezzo? La risposta dipende da dove viene utilizzata la batteria, dice Kostiantyn Kravchyk, ricercatore dell’Empa. Nel gruppo dei materiali inorganici funzionali, guidato da Maksym Kovalenko e parte del Laboratorio per i film sottili e il fotovoltaico dell’Empa, lo scienziato sta sviluppando nuovi materiali per rendere le batterie di domani più potenti e veloci – o più economiche.

Due aree di applicazione delle batterie ricaricabili sono cruciali per la transizione verso le energie rinnovabili. Uno è l’elettromobilità; l’altro è il cosiddetto stoccaggio stazionario, che immagazzina elettricità proveniente da fonti energetiche rinnovabili come il vento e il sole. Le batterie per le auto elettriche devono essere compatte e leggere, avere una capacità elevata e caricarsi il più rapidamente possibile. Le batterie stazionarie possono occupare più spazio, ma sono convenienti solo se sono il più economiche possibile.

Nessun compito semplice

In sostanza, 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 materiale del catodo è un ossido misto di litio e altri metalli, come l’ossido di litio cobalto (III). Gli elettroliti vengono utilizzati come trasmettitori di ioni di litio dal catodo all’anodo e ritorno, a seconda che la cella venga caricata o scaricata.

“I requisiti per il materiale elettrolitico sono elevati”, afferma Kostiantyn Kravchyk, ricercatore dell’Empa. Immagine: Empa

Quando si tratta di batterie per la mobilità elettrica, è richiesta un’elevata densità di energia. “Con un anodo realizzato in puro litio metallico anziché in grafite, potremmo immagazzinare molta più energia in una cella della stessa dimensione”, afferma Kravchyk. Tuttavia, il litio non viene rimosso e depositato in modo uniforme quando la cella viene caricata e scaricata. Ciò porta alla formazione dei cosiddetti dendriti: strutture ramificate di litio metallico che possono cortocircuitare la batteria.

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

I requisiti per il materiale elettrolitico sono elevati. “La gente parla di caricare le batterie entro dieci-quindici minuti”, spiega Kravchyk. “Ciò richiede una densità di corrente molto elevata, alla quale si formano dendriti anche nelle batterie a stato solido.” La densità di corrente è il rapporto tra la corrente e l’area attraverso la quale scorre. Un ulteriore problema è che lo strippaggio e la deposizione non uniforme del litio creano vuoti al confine tra l’elettrodo e l’elettrolita solido, riducendo l’area di contatto disponibile e aumentando ulteriormente la densità di corrente.

Un materiale, due strati

Nell’ambito del programma di finanziamento Fraunhofer ICON (Cooperazione internazionale e rete), Kravchyk e altri ricercatori dell’Empa hanno ora perfezionato un promettente elettrolita solido. Il materiale, l’ossido di litio lantanio e zirconio, o LLZO in breve, ha un’elevata conduttività ionica e stabilità chimica: proprietà ideali per l’uso nelle batterie.

“Abbiamo realizzato una membrana LLZO a doppio strato composta da uno strato denso e uno poroso”, afferma Kravchyk. Se il litio viene immagazzinato nei pori, si crea un’area di contatto molto ampia tra il litio e l’elettrolita e la densità di corrente rimane bassa. Lo strato denso garantisce che nessun dendrito possa crescere sull’altro elettrodo e causare un cortocircuito. I ricercatori hanno pensato anche al rapporto costo-efficacia: hanno sviluppato un processo semplice, economico e scalabile per produrre le membrane a doppio strato.

Ferro economico invece del costoso cobalto

I ricercatori hanno adottato un approccio molto diverso in un progetto che prevedeva lo stoccaggio stazionario di energia rinnovabile. “Il parametro più importante per lo stoccaggio stazionario è il prezzo”, spiega Kravchyk. Le batterie agli ioni di litio utilizzate oggi per lo stoccaggio stazionario sono relativamente costose. “Ecco perché la maggior parte delle esigenze di stoccaggio stazionario sono ancora soddisfatte dalla tecnologia idroelettrica di stoccaggio tramite pompa, anche se ha una densità energetica molto bassa rispetto alle batterie”, continua il ricercatore.

Uno dei maggiori fattori di costo per le batterie stazionarie agli ioni di litio sono i materiali utilizzati per fabbricarle. Oltre al litio, per il catodo sono necessari cobalto e nichel. La ricerca di materiali catodici migliori ha portato rapidamente i ricercatori a uno degli elementi più comuni nella crosta terrestre: il ferro.

Per il loro catodo, i ricercatori hanno combinato il metallo poco costoso con il fluoruro sotto forma di idrossifluoruro di ferro (III). “Gli approcci precedenti per realizzare una batteria basata su fluoruri di ferro si basavano sulla conversione chimica”, spiega Kravchyk. Ciò comporta la conversione degli ioni ferro in ferro metallico. “Questo processo non è molto stabile”, afferma il ricercatore. “Idealmente, gli ioni si spostano semplicemente da un polo all’altro senza subire grandi trasformazioni strutturali”.

Una sfida per i ricercatori, poiché i fluoruri hanno una scarsa conduttività, sia per gli elettroni che per gli ioni di litio. Ma il team di Kravchyk ha la soluzione: utilizzando un processo semplice ed economico, hanno dato al loro idrossifluoruro di ferro (III) una particolare struttura cristallina. Questa cosiddetta struttura del pirocloro contiene al suo interno canali che conducono gli ioni di litio.

“Con la nostra batteria siamo riusciti a ottenere prestazioni comparabili a un prezzo molto più basso”, afferma Kravchyk. “Siamo totalmente sorpresi dal fatto che quasi nessuno fino ad ora abbia esplorato la possibilità di sviluppare la sintesi a basso costo di questo materiale promettente”.

Di Anna EttlinCper gentile concessione dell’Empa, i Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali