Batterie strutturali: le auto elettriche potrebbero aumentare la loro autonomia fino al 70%

Non solo per auto…

La batteria più potente al mondo apre la strada a veicoli leggeri ed efficienti dal punto di vista energetico. Quando auto, aerei, navi o computer o telefoni vengono costruiti con un materiale che funge sia da batteria che da struttura portante, il peso e il consumo energetico si riducono drasticamente. Un gruppo di ricerca dell’Università di Tecnologia di Chalmers in Svezia ha presentato un progresso significativo nel campo dell’energia strutturale senza massa: una batteria strutturale che potrebbe dimezzare il peso di un laptop, rendere uno smartphone sottile come una carta di credito o aumentare del 70% l’autonomia di un’auto elettrica con una sola carica.

Le ricerche sulle batterie strutturali proseguono da anni a Chalmers, con la collaborazione in alcune fasi dei ricercatori del KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma. Quando il professor Leif Asp, responsabile della ricerca presso il Dipartimento di Scienze Industriali e dei Materiali di Chalmers, e i suoi colleghi hanno pubblicato nel 2018 i primi risultati sulla capacità delle fibre di carbonio di immagazzinare energia elettrica, la scoperta ha suscitato grande interesse. La notizia che le fibre di carbonio potessero fungere da elettrodi nelle batterie agli ioni di litio è stata ampiamente diffusa e il risultato è stato classificato tra le dieci più grandi scoperte dell’anno da Physics World.

Meno peso richiede meno energia

Da allora, il gruppo di ricerca ha ulteriormente sviluppato il concetto per aumentare sia la rigidità che la densità energetica. Il traguardo precedente, raggiunto nel 2021, era di 24 Wh/kg, pari a circa il 20% della capacità di una batteria agli ioni di litio comparabile. Oggi è salito a 30 Wh/kg. Sebbene questa cifra sia ancora inferiore a quella delle batterie attuali, le condizioni sono diverse: quando la batteria diventa parte della struttura del veicolo e può essere realizzata in materiale leggero, il peso complessivo si riduce notevolmente, richiedendo meno energia per il funzionamento di un’auto elettrica, per esempio.

Nel caso dei veicoli, i requisiti di sicurezza sono ovviamente elevati, e qui la batteria strutturale ha significativamente aumentato la sua rigidità, con un modulo elastico, misurato in gigapascal (GPa), passato da 25 a 70. Questo significa che il materiale può sostenere carichi quanto l’alluminio, ma con un peso inferiore.

Verso la commercializzazione

Fin dall’inizio, l’obiettivo era raggiungere prestazioni tali da consentire la commercializzazione della tecnologia. Parallelamente alla ricerca in corso, il legame con il mercato è stato rafforzato grazie alla nascita di Sinonus AB, una nuova società avviata da Chalmers Venture con sede a Borås, Svezia. Tuttavia, c’è ancora molto lavoro da fare prima che le celle delle batterie possano essere prodotte su larga scala per gadget tecnologici o veicoli.

Le parole del professor Leif Asp, responsabile della ricerca presso il Dipartimento di Scienze Industriali e dei Materiali di Chalmers, sottolineano l’interesse mostrato dall’industria automobilistica e aerospaziale: “È possibile che i telefoni o i laptop sottili come carte di credito e pesanti la metà rispetto a quelli attuali siano i primi a vedere la luce. Inoltre, componenti come l’elettronica delle auto o degli aerei potrebbero essere alimentati da batterie strutturali. Saranno necessari grandi investimenti per soddisfare le sfide energetiche dell’industria dei trasporti, ma è proprio qui che la tecnologia potrebbe fare la differenza maggiore”,

Le batterie strutturali

Le batterie strutturali sono materiali che, oltre a immagazzinare energia, possono sopportare carichi. In questo modo, il materiale della batteria diventa parte integrante della struttura di un prodotto, permettendo di ridurre notevolmente il peso complessivo, ad esempio, in auto elettriche, droni, utensili portatili, laptop e telefoni cellulari.

Il concetto di batteria sviluppato si basa su un materiale composito con fibre di carbonio, che fungono sia da elettrodi positivi che negativi, con il primo rivestito di fosfato di ferro e litio. Nella versione precedente, il nucleo dell’elettrodo positivo era fatto di un foglio di alluminio.

La fibra di carbonio usata nel materiale dell’elettrodo è multifunzionale: nell’anodo agisce come rinforzo, collezionatore di cariche elettriche e materiale attivo; nel catodo, invece, come rinforzo, collettore di corrente e impalcatura per la deposizione del litio. Dato che la fibra di carbonio conduce la corrente elettrica, si riduce la necessità di collettori di corrente in rame o alluminio, abbassando ulteriormente il peso complessivo. Inoltre, non è necessario utilizzare metalli controversi come cobalto o manganese nel design dell’elettrodo.

Nella batteria, gli ioni di litio si spostano tra i terminali attraverso un elettrolita semi-solido, invece di uno liquido, il che rappresenta una sfida per ottenere alte potenze e richiede ulteriori ricerche. Tuttavia, il design aumenta anche la sicurezza della cella, riducendo il rischio di incendi.

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