Il mondo ha bisogno di più energia, preferibilmente in una forma pulita e rinnovabile.Le nostre strategie di stoccaggio dell’energia sono attualmente modellate dalle batterie agli ioni di litio – all’avanguardia in tale tecnologia – ma cosa possiamo aspettarci negli anni a venire?
Cominciamo con alcune nozioni di base sulla batteria.Una batteria è un pacco di una o più celle, ciascuna delle quali ha un elettrodo positivo (il catodo), un elettrodo negativo (l'anodo), un separatore e un elettrolita.L’utilizzo di sostanze chimiche e materiali diversi influisce sulle proprietà della batteria: quanta energia può immagazzinare e produrre, quanta energia può fornire o il numero di volte che può essere scaricata e ricaricata (detta anche capacità di ciclo).
Le aziende produttrici di batterie sperimentano costantemente per trovare prodotti chimici più economici, più densi, più leggeri e più potenti.Abbiamo parlato con Patrick Bernard, direttore della ricerca Saft, che ha spiegato tre nuove tecnologie di batterie con potenziale di trasformazione.
BATTERIE AGLI IONI DI LITIO DI NUOVA GENERAZIONE
Che cos'è?
Nelle batterie agli ioni di litio (li-ion), l'accumulo e il rilascio di energia sono forniti dal movimento degli ioni di litio dall'elettrodo positivo a quello negativo avanti e indietro attraverso l'elettrolita.In questa tecnologia, l'elettrodo positivo funge da fonte iniziale di litio e l'elettrodo negativo come ospite per il litio.Sotto il nome di batterie agli ioni di litio sono riunite diverse caratteristiche chimiche, risultato di decenni di selezione e ottimizzazione prossima alla perfezione dei materiali attivi positivi e negativi.Gli ossidi o fosfati metallici litiati sono il materiale più comune utilizzato come materiali presenti positivi.Come materiali negativi vengono utilizzati grafite, ma anche grafite/silicio o ossidi di titanio litiato.
Con i materiali attuali e la progettazione delle celle, si prevede che la tecnologia agli ioni di litio raggiungerà un limite energetico nei prossimi anni.Tuttavia, scoperte molto recenti di nuove famiglie di materiali attivi dirompenti dovrebbero sbloccare i limiti attuali.Questi composti innovativi possono immagazzinare più litio negli elettrodi positivi e negativi e consentiranno per la prima volta di combinare energia e potenza.Inoltre, con questi nuovi composti si tiene conto anche della scarsità e della criticità delle materie prime.
Quali sono i suoi vantaggi?
Oggi, tra tutte le tecnologie di stoccaggio all’avanguardia, la tecnologia delle batterie agli ioni di litio consente il massimo livello di densità energetica.Prestazioni come la carica rapida o la finestra operativa della temperatura (da -50°C fino a 125°C) possono essere ottimizzate grazie all'ampia scelta di design e prodotti chimici delle celle.Inoltre, le batterie agli ioni di litio mostrano ulteriori vantaggi come un'autoscarica molto bassa e una durata e prestazioni di ciclo molto lunghe, in genere migliaia di cicli di carica/scarica.
Quando possiamo aspettarcelo?
Si prevede che la nuova generazione di batterie avanzate agli ioni di litio verrà implementata prima della prima generazione di batterie allo stato solido.Saranno ideali per l'uso in applicazioni come i sistemi di accumulo dell'energiaenergie rinnovabilie trasporti (marino, linee ferroviarie,aviazionee mobilità fuoristrada) dove alta energia, alta potenza e sicurezza sono obbligatorie.
BATTERIE AL LITIO-ZOLFO
Che cos'è?
Nelle batterie agli ioni di litio, gli ioni di litio sono immagazzinati in materiali attivi che agiscono come strutture ospiti stabili durante la carica e la scarica.Nelle batterie al litio-zolfo (Li-S) non sono presenti strutture ospiti.Durante la scarica, l'anodo di litio si consuma e lo zolfo si trasforma in una varietà di composti chimici;durante la ricarica avviene il processo inverso.
Quali sono i suoi vantaggi?
Una batteria Li-S utilizza materiali attivi molto leggeri: zolfo nell'elettrodo positivo e litio metallico come elettrodo negativo.Ecco perché la sua densità energetica teorica è straordinariamente elevata: quattro volte maggiore di quella degli ioni di litio.Ciò lo rende adatto per l’industria aeronautica e spaziale.
Saft ha selezionato e favorito la tecnologia Li-S più promettente basata sull'elettrolita a stato solido.Questo percorso tecnico offre una densità energetica molto elevata, una lunga durata e supera i principali inconvenienti del Li-S a base liquida (durata limitata, elevata autoscarica, ...).
Inoltre, questa tecnologia è complementare a quella degli ioni di litio allo stato solido grazie alla sua densità di energia gravimetrica superiore (+30% in gioco in Wh/kg).
Quando possiamo aspettarcelo?
Le principali barriere tecnologiche sono già state superate e il livello di maturità sta progredendo molto rapidamente verso prototipi in scala reale.
Per le applicazioni che richiedono una lunga durata della batteria, si prevede che questa tecnologia raggiungerà il mercato subito dopo la tecnologia agli ioni di litio allo stato solido.
BATTERIE A STATO SOLIDO
Che cos'è?
Le batterie allo stato solido rappresentano un cambiamento di paradigma in termini di tecnologia.Nelle moderne batterie agli ioni di litio, gli ioni si spostano da un elettrodo all'altro attraverso l'elettrolita liquido (chiamato anche conduttività ionica).Nelle batterie tutte allo stato solido, l’elettrolita liquido viene sostituito da un composto solido che permette tuttavia agli ioni di litio di migrare al suo interno.Questo concetto è tutt’altro che nuovo, ma negli ultimi 10 anni – grazie ad un’intensa ricerca a livello mondiale – sono state scoperte nuove famiglie di elettroliti solidi con altissima conducibilità ionica, simile all’elettrolita liquido, consentendo di superare questa particolare barriera tecnologica.
Oggi,SaftGli sforzi di ricerca e sviluppo si concentrano su 2 principali tipologie di materiali: polimeri e composti inorganici, puntando alla sinergia delle proprietà fisico-chimiche quali lavorabilità, stabilità, conduttività...
Quali sono i suoi vantaggi?
Il primo enorme vantaggio è un netto miglioramento della sicurezza a livello di celle e batterie: gli elettroliti solidi non sono infiammabili se riscaldati, a differenza dei loro omologhi liquidi.In secondo luogo, consente l’uso di materiali innovativi, ad alta tensione e ad alta capacità, consentendo batterie più dense e leggere con una migliore durata di conservazione grazie alla ridotta autoscarica.Inoltre, a livello di sistema, porterà ulteriori vantaggi come la meccanica semplificata e la gestione termica e della sicurezza.
Poiché le batterie possono presentare un elevato rapporto peso/potenza, potrebbero essere ideali per l’uso nei veicoli elettrici.
Quando possiamo aspettarcelo?
È probabile che diversi tipi di batterie allo stato solido arrivino sul mercato man mano che il progresso tecnologico continua.Le prime saranno le batterie allo stato solido con anodi a base di grafite, che miglioreranno prestazioni energetiche e sicurezza.Col tempo, tecnologie di batterie allo stato solido più leggere che utilizzano un anodo di litio metallico dovrebbero diventare disponibili in commercio.
Orario di pubblicazione: 03 agosto 2022