Novità del settore

Grande svolta per l'accumulo di energia "senza massa": batteria strutturale con prestazioni 10 volte migliori rispetto a tutte le versioni precedenti

2021-06-18
TEMI:Tecnologia delle batterie,Chalmers University Of Technology,Energia,Scienza dei materiali,Popolare
By CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 24 MARZO 2021



I compositi strutturali delle batterie non possono immagazzinare tanta energia quanto le batterie agli ioni di litio, ma hanno diverse caratteristiche che li rendono molto attraenti per l'uso nei veicoli e in altre applicazioni. Quando la batteria diventa parte della struttura portante, la massa della batteria essenzialmente "scompare". Credito: Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology.

I ricercatori della Chalmers University of Technology hanno prodotto una batteria strutturale con prestazioni dieci volte migliori di tutte le versioni precedenti. Contiene fibra di carbonio che funge contemporaneamente da elettrodo, conduttore e materiale portante. La loro ultima svolta nella ricerca apre la strada all'immagazzinamento di energia essenzialmente "senza massa" nei veicoli e in altre tecnologie.

Le batterie delle odierne auto elettriche costituiscono gran parte del peso dei veicoli, senza svolgere alcuna funzione portante. Una batteria strutturale, d'altra parte, è quella che funziona sia come fonte di alimentazione che come parte della struttura, ad esempio nella carrozzeria di un'auto. Questo è definito accumulo di energia "senza massa", perché in sostanza il peso della batteria svanisce quando diventa parte della struttura portante. I calcoli mostrano che questo tipo di batteria multifunzionale potrebbe ridurre notevolmente il peso di un veicolo elettrico.

Lo sviluppo di batterie strutturali presso la Chalmers University of Technology è proseguito attraverso molti anni di ricerca, comprese le precedenti scoperte riguardanti alcuni tipi di fibra di carbonio. Oltre ad essere rigidi e resistenti, hanno anche una buona capacità di immagazzinare energia elettrica chimicamente. Questo lavoro è stato nominato da Physics World come una delle dieci più grandi scoperte scientifiche del 2018.

Il primo tentativo di realizzare una batteria strutturale è stato fatto già nel 2007, ma finora si è rivelato difficile produrre batterie con buone proprietà elettriche e meccaniche.



La dottoressa Johanna Xu con una cella di batteria strutturale di nuova fabbricazione nel laboratorio di compositi di Chalmers, che mostra a Leif Asp. La cella è costituita da un elettrodo in fibra di carbonio e un elettrodo al litio ferro fosfato separati da un tessuto in fibra di vetro, il tutto impregnato con un elettrolita strutturale della batteria per la funzione combinata meccanica ed elettrica. Tre batterie strutturali sono state collegate in serie e laminate come parte di un laminato composito più grande. Ogni cella strutturale della batteria ha una tensione nominale di 2,8 V. Il laminato ha una tensione totale di 8,4 V e una rigidità nel piano di poco superiore a 28 GPa. Credito: Marcus Folino, Chalmers University of Technology.

Ma ora lo sviluppo ha fatto un vero passo avanti, con i ricercatori di Chalmers, in collaborazione con il KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma, che hanno presentato una batteria strutturale con proprietà che superano di gran lunga qualsiasi cosa mai vista, in termini di accumulo di energia elettrica, rigidità e resistenza . Le sue prestazioni multifunzionali sono dieci volte superiori rispetto ai precedenti prototipi di batterie strutturali.

La batteria ha una densità di energia di 24 Wh/kg, il che significa circa il 20 percento di capacità rispetto alle batterie agli ioni di litio comparabili attualmente disponibili. Ma poiché il peso dei veicoli può essere notevolmente ridotto, sarà necessaria meno energia per guidare un'auto elettrica, ad esempio, e una minore densità di energia si traduce anche in una maggiore sicurezza. E con una rigidità di 25 GPa, la batteria strutturale può davvero competere con molti altri materiali da costruzione comunemente usati.

“Precedenti tentativi di realizzare batterie strutturali hanno portato a celle con buone proprietà meccaniche o buone proprietà elettriche. Ma qui, utilizzando la fibra di carbonio, siamo riusciti a progettare una batteria strutturale con capacità di accumulo di energia competitiva e rigidità", spiega Leif Asp, professore a Chalmers e leader del progetto.



Le bici elettriche super leggere e l'elettronica di consumo potrebbero presto essere una realtà

La nuova batteria ha un elettrodo negativo in fibra di carbonio e un elettrodo positivo in un foglio di alluminio rivestito di fosfato di ferro e litio. Sono separati da un tessuto in fibra di vetro, in una matrice elettrolitica. Nonostante il loro successo nella creazione di una batteria strutturale dieci volte migliore di tutte le precedenti, i ricercatori non hanno scelto i materiali per cercare di battere i record, ma hanno voluto indagare e comprendere gli effetti dell'architettura del materiale e dello spessore del separatore.

Ora è in corso un nuovo progetto, finanziato dall'Agenzia spaziale nazionale svedese, in cui le prestazioni della batteria strutturale saranno ulteriormente incrementate. Il foglio di alluminio sarà sostituito con fibra di carbonio come materiale portante nell'elettrodo positivo, fornendo sia maggiore rigidità che densità di energia. Il separatore in fibra di vetro sarà sostituito con una variante ultrasottile, che darà un effetto molto maggiore, oltre a cicli di ricarica più rapidi. Il nuovo progetto dovrebbe essere completato entro due anni.

Leif Asp, che sta guidando anche questo progetto, stima che una tale batteria potrebbe raggiungere una densità energetica di 75 Wh/kg e una rigidità di 75 GPa. Ciò renderebbe la batteria resistente quanto l'alluminio, ma con un peso relativamente molto inferiore.



Leif Asp, Professore presso il Dipartimento di Scienze Industriali e dei Materiali, Chalmers University of Technology. Ha pubblicato il suo primo articolo sulle batterie strutturali nel 2010 e ora è riuscito a dimostrare prestazioni multifunzionali dieci volte superiori rispetto a qualsiasi precedente prototipo di batteria strutturale. Credito: Marcus Folino, Chalmers University of Technology.

â€La batteria strutturale di nuova generazione ha un potenziale fantastico. Se si guarda alla tecnologia di consumo, nel giro di pochi anni potrebbe essere possibile produrre smartphone, laptop o biciclette elettriche che pesano la metà di oggi e sono molto più compatti", afferma Leif Asp.
E a lungo termine, è assolutamente concepibile che auto elettriche, aerei elettrici e satelliti saranno progettati e alimentati da batterie strutturali.

â€Qui siamo davvero limitati solo dalla nostra immaginazione. Abbiamo ricevuto molta attenzione da diversi tipi di aziende in relazione alla pubblicazione dei nostri articoli scientifici nel settore. C'è comprensibilmente un grande interesse per questi materiali leggeri e multifunzionali", afferma Leif Asp.

Riferimento: "Una batteria strutturale e le sue prestazioni multifunzionali" di Leif E. Asp, Karl Bouton, David Carlstedt, Shanghong Duan, Ross Harnden, Wilhelm Johannisson, Marcus Johansen, Mats KG Johansson, Göran Lindbergh, Fang Liu, Kevin Peuvot , Lynn M. Schneider, Johanna Xu e Dan Zenkert, 27 gennaio 2021, Advanced Energy & Sustainability Research.
DOI: 10.1002/aesr.202000093

Maggiori informazioni su: La ricerca sulle batterie strutturali
La batteria strutturale utilizza la fibra di carbonio come elettrodo negativo e un foglio di alluminio rivestito di fosfato di ferro e litio come elettrodo positivo. La fibra di carbonio funge da ospite per il litio e quindi immagazzina l'energia. Poiché la fibra di carbonio conduce anche gli elettroni, si evita anche la necessità di conduttori in rame e argento, riducendo ulteriormente il peso. Sia la fibra di carbonio che il foglio di alluminio contribuiscono alle proprietà meccaniche della batteria strutturale. I due materiali degli elettrodi sono mantenuti separati da un tessuto in fibra di vetro in una matrice elettrolitica strutturale. Il compito dell'elettrolita è quello di trasportare gli ioni di litio tra i due elettrodi della batteria, ma anche di trasferire i carichi meccanici tra le fibre di carbonio e le altre parti.

Il progetto è gestito in collaborazione tra la Chalmers University of Technology e il KTH Royal Institute of Technology, le due più grandi università tecniche svedesi. L'elettrolita della batteria è stato sviluppato presso KTH. Il progetto coinvolge ricercatori di cinque diverse discipline: meccanica dei materiali, ingegneria dei materiali, strutture leggere, elettrochimica applicata e tecnologia delle fibre e dei polimeri. I finanziamenti provengono dal programma di ricerca Clean Sky II della Commissione europea e dall'aeronautica statunitense.