La nuova tecnica di fabbricazione potrebbe consentire alle batterie agli ioni di litio per automobili allo stato solido di adottare elettroliti ceramici non infiammabili utilizzando gli stessi processi di produzione delle batterie realizzate con elettroliti liquidi convenzionali.
La tecnologia di infiltrazione da fusione sviluppata dai ricercatori di Scienze dei Materiali presso la Georgia Institute of Technology utilizza materiali elettrolitici che possono essere infiltrati in elettrodi porosi ma densamente stabili e termicamente stabili. Il processo a una fase produce compositi ad alta densità basati sull’infiltrazione capillare senza pressione di un elettrolita solido fuso in corpi porosi, comprese pile di separatori di elettrodi multistrato.
Gleb Yushin professore presso la Scuola di Scienza dei Materiali e Ingegneria presso la Georgia Institute of Technology (o Georgia Tech) ha spiegato:
«Mentre il punto di fusione dei tradizionali elettroliti a stato solido può variare da 700 °C a oltre 1.000 °C, operiamo a un intervallo di temperatura molto più basso, a seconda della composizione dell’elettrolita, all’incirca da 200 a 300 °C. La fabbricazione a queste temperature più basse è molto più veloce e più facile. I materiali a basse temperature non reagiscono. I gruppi elettrodi standard, compreso il legante polimerico o la colla, possono essere stabili in queste condizioni».
La nuova tecnica, che sarà riportata sulla rivista Nature Materials, potrebbe consentire di rendere più sicure le grandi batterie agli ioni di litio per autoveicoli con ceramica non infiammabile allo stato solido al 100% anziché elettroliti liquidi utilizzando gli stessi processi di produzione della tradizionale produzione di batterie a elettrolita liquido.
La tecnologia di produzione in attesa di brevetto imita la fabbricazione a basso costo di celle commerciali agli ioni di litio con elettroliti liquidi, ma utilizza invece elettroliti a stato solido con punti di fusione bassi che vengono fusi e infiltrati in elettrodi densi, di conseguenza, celle multistrato di alta qualità di qualsiasi dimensione o forma potrebbero essere prodotte rapidamente su larga scala utilizzando strumenti e processi collaudati sviluppati e ottimizzati negli ultimi 30 anni per gli ioni di litio.
Yiran Xiao del team di ricercatori (ha conseguito la laurea in Scienza dei materiali e ingegneria e fisica ingegneristica presso l’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign nel 2014. Attualmente è uno studente di dottorato in Scienza e ingegneria dei materiali presso la Georgia Institute of Technology. La sua ricerca è concentrata su nuovi elettroliti a stato solido e batterie solide agli ioni di litio ad alta capacità), ha detto:
«La tecnologia di infiltrazione in fusione è il progresso chiave. Il ciclo di vita e la stabilità delle batterie agli ioni di litio dipendono fortemente dalle condizioni operative, in particolare dalla temperatura: se le batterie si surriscaldano per un periodo prolungato, comunemente iniziano a degradarsi prematuramente e le batterie surriscaldate possono prendere fuoco. Ciò ha spinto quasi tutti i veicoli elettrici (EV) a includere sistemi di raffreddamento piuttosto costosi».
Le batterie allo stato solido al contrario, possono richiedere solo riscaldatori, che sono significativamente meno costosi dei sistemi di raffreddamento.
Gleb Yushin e Yiran Xiao sono incoraggiati dal potenziale di questo processo di produzione per consentire di produrre batterie più leggere, più sicure e più dense di energia.
Kostiantyn Turcheniuk coautore e ricercatore della Georgia Tech ha detto:
«La tecnologia di infiltrazione della fusione sviluppata è compatibile con un’ampia gamma di sostanze chimiche dei materiali, inclusi i cosiddetti elettrodi di tipo di conversione. È stato dimostrato che tali materiali ora aumentano la densità di energia delle celle automobilistiche di oltre il 20% e in futuro di oltre il 100%, considerando che le celle a densità più elevata supportano distanze di guida più lunghe. Le celle necessitano di elettrodi ad alta capacità per questo salto di prestazioni».
La tecnica della Georgia Tech non è ancora commercialmente pronta, Gleb Yushin prevede che se una parte significativa del futuro mercato dei veicoli elettrici adotterà batterie allo stato solido, questa sarebbe probabilmente l’unica strada da percorrere, poiché consentirà ai produttori di utilizzare la loro produzione con esistenti strutture e infrastrutture. Ha detto:
«Ecco perché ci siamo concentrati su questo progetto, è stata una delle aree di innovazione più commercialmente praticabile da perseguire per il nostro laboratorio. I prezzi delle celle della batteria hanno raggiunto per la prima volta 100 $ per kilowattora nel 2020, dovranno scendere sotto i 70 $ per kilowattora prima che il mercato dei veicoli elettrici possa aprirsi completamente. L’innovazione della batteria è fondamentale per ciò che si verifica».
Il team del laboratorio di Scienza dei Materiali attualmente è concentrato sullo sviluppo di altri elettroliti che avranno punti di fusione più bassi e conducibilità più elevate utilizzando la stessa tecnica provata in laboratorio.
Gleb Yushin prevede che i progressi nella produzione di questo gruppo di ricerca aprano le porte a una maggiore innovazione in questo settore, in conclusione ha detto:
«Tanti scienziati incredibilmente si concentrano sulla risoluzione di problemi scientifici molto impegnativi, ignorando completamente la praticità economica e tecnica. Stanno studiando e ottimizzando elettroliti ad altissima temperatura che non solo sono notevolmente più costosi da utilizzare nelle celle, ma sono anche fino a cinque volte più pesanti rispetto agli elettroliti liquidi. Il mio obiettivo è spingere la comunità di ricerca a guardare fuori da quella scatola chimica».