I ricercatori della Chalmers University of Technology hanno creato una batteria strutturale con prestazioni dieci volte superiori a tutte le versioni precedenti. Contiene fibra di carbonio che funge contemporaneamente da elettrodo, conduttore e riempitivo. La sua ultima svolta nella ricerca apre la strada allo stoccaggio di energia essenzialmente “senza massa” nei veicoli e in altre tecnologie:
Dagli aeroplani alle auto elettriche, le batterie pesanti sono un fattore che limita la distanza che questi veicoli possono percorrere. Gli scienziati della Chalmers University of Technology hanno esplorato un’interessante alternativa a queste soluzioni di accumulo di energia convenzionali e sono accreditati con una svolta, dimostrando un nuovo tipo di batteria “senza massa” che potrebbe funzionare come fonte di alimentazione e componente strutturale di un veicolo allo stesso tempo tempo. Il team di ricerca della Chalmers University of Technology ha trascorso anni a ricercare l’idea che le batterie possano funzionare come componenti strutturali per risparmiare peso nella progettazione dei veicoli. La fibra di carbonio è un pilastro di questa ricerca, grazie alle sue note ed eccellenti proprietà meccaniche, insieme alla sua capacità di fungere da materiale per elettrodi se adeguatamente progettata:
Nel 2018, gli scienziati hanno pubblicato uno studio che descrive una forma di fibra di carbonio con la giusta disposizione dei cristalli per offrire sia la rigidità richiesta per la costruzione del veicolo che le prestazioni elettrochimiche richieste per lo stoccaggio di energia. Come parte dei loro sforzi per tradurre questa ricerca in applicazioni del mondo reale, i ricercatori hanno ora prodotto una batteria strutturale a base di fibra di carbonio che, secondo loro, ha prestazioni 10 volte superiori a qualsiasi versione precedente. La batteria è costituita da un elettrodo negativo in fibra di carbonio e da un elettrodo positivo in foglio di alluminio rivestito di fosfato di ferro e litio. Sono separati da un tessuto in fibra di vetro che funge da matrice strutturale dell’elettrolita, che trasporta gli ioni di litio tra gli elettrodi come in una batteria convenzionale, ma aiuta anche a distribuire le cariche meccaniche tra le diverse parti della struttura.
I ricercatori lo descrivono come un dispositivo di accumulo di energia “senza massa” perché, a differenza di una batteria convenzionale, non aggiunge peso aggiuntivo al veicolo, almeno in teoria. Tuttavia, questo comporta alcuni sacrifici. Ad esempio, la batteria ha una densità energetica di 24 Wh/kg, che, secondo il team, è il 20% della capacità delle odierne batterie agli ioni di litio . D’altra parte, se questa batteria fosse integrata in un’auto elettrica invece di una tipica agli ioni di litio, quell’auto peserebbe molto meno e quindi avrebbe bisogno di meno energia per spingersi attraverso il terreno. In termini di proprietà meccaniche, il team afferma che il materiale ha una rigidità di 25 GPa e può competere con altri materiali da costruzione comunemente usati.
I precedenti tentativi di realizzare batterie strutturali hanno portato a celle con buone proprietà meccaniche o elettriche. Ma qui, utilizzando la fibra di carbonio, siamo riusciti a progettare una batteria strutturale con capacità di accumulo di energia e rigidità competitive.
Leif Asp, responsabile del progetto.
I ricercatori affermano che questo nuovo design moltiplica di dieci volte le prestazioni dei precedenti tentativi di creare una batteria strutturale , ma fissa obiettivi ancora più ambiziosi. La fase successiva della loro ricerca è quella di sostituire l’alluminio dell’elettrodo positivo con la fibra di carbonio per aumentare ulteriormente l’efficienza energetica e meccanica, mentre il tessuto in fibra di vetro sarà sostituito da una versione più sottile per favorire una ricarica più rapida. Asp stima che questa batteria potrebbe offrire una densità energetica fino a 75 Wh/kg e una rigidità di 75 GPa, che la renderebbe resistente come l’alluminio ma molto più leggera. Da lì, le possibilità intorno ai veicoli elettrici e persino all’elettronica di consumo potrebbero essere davvero entusiasmanti.
La prossima generazione di batterie strutturali ha un potenziale fantastico. Se guardiamo alla tecnologia di consumo, potrebbe essere molto possibile in pochi anni realizzare smartphone, laptop o bici elettriche pesanti la metà di oggi e molto più compatti.
Leif Asp.
Maggiori informazioni: onlinelibrary.wiley.com
Via www.chalmers.se
