Il mondo ha bisogno di più energia, preferibilmente in una forma pulita e rinnovabile.Le nostre strategie di accumulo di energia sono attualmente modellate dalle batterie agli ioni di litio, all'avanguardia di tale tecnologia, ma cosa possiamo aspettarci negli anni a venire?
Iniziamo con alcune nozioni di base sulla batteria.Una batteria è un pacco di una o più celle, ognuna delle quali ha un elettrodo positivo (il catodo), un elettrodo negativo (l'anodo), un separatore e un elettrolita.L'uso di diversi prodotti chimici e materiali per questi influisce sulle proprietà della batteria: quanta energia può immagazzinare e produrre, quanta potenza può fornire o il numero di volte che può essere scaricata e ricaricata (chiamata 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 un 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 tramite l'elettrolita.In questa tecnologia, l'elettrodo positivo funge da sorgente iniziale di litio e l'elettrodo negativo da host per il litio.Sotto il nome di batterie agli ioni di litio sono raccolte diverse sostanze chimiche, come risultato di decenni di selezione e ottimizzazione quasi alla perfezione di materiali attivi positivi e negativi.Gli ossidi o fosfati di metalli litiati sono il materiale più comune utilizzato come materiali positivi presenti.Come materiali negativi vengono utilizzati grafite, ma anche grafite/silicio o ossidi di titanio litiato.
Con i materiali effettivi e il design delle celle, si prevede che la tecnologia agli ioni di litio raggiungerà un limite di energia 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 queste nuove mescole si tiene conto anche della scarsità e criticità delle materie prime.
Quali sono i suoi vantaggi?
Oggi, tra tutte le tecnologie di accumulo all'avanguardia, la tecnologia delle batterie agli ioni di litio consente il massimo livello di densità di energia.Prestazioni come la carica rapida o la finestra di funzionamento della temperatura (da -50°C fino a 125°C) possono essere messe a punto dall'ampia scelta di design e chimica delle celle.Inoltre, le batterie agli ioni di litio mostrano ulteriori vantaggi come un'autoscarica molto bassa e prestazioni di durata e ciclo molto lunghe, in genere migliaia di cicli di carica/scarica.
Quando possiamo aspettarcelo?
La nuova generazione di batterie avanzate agli ioni di litio dovrebbe essere utilizzata prima della prima generazione di batterie allo stato solido.Saranno ideali per l'uso in applicazioni come i sistemi di accumulo di energia perenergie rinnovabilie trasporto (marino, linee ferroviarie,aviazionee mobilità fuoristrada) dove sono obbligatorie alta energia, alta potenza e sicurezza.
BATTERIE 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 ci sono strutture ospiti.Durante la scarica, l'anodo di litio viene consumato e lo zolfo viene trasformato in una varietà di composti chimici;durante la carica 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 di energia teorica è straordinariamente alta: quattro volte maggiore di quella degli ioni di litio.Ciò lo rende adatto alle industrie aeronautiche e spaziali.
Saft ha selezionato e favorito la più promettente tecnologia Li-S basata sull'elettrolita allo stato solido.Questo percorso tecnico porta densità di energia molto alta, lunga durata e supera i principali inconvenienti del Li-S a base liquida (vita limitata, alta autoscarica, …).
Inoltre, questa tecnologia è complementare allo stato solido agli ioni di litio 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 i prototipi su larga scala.
Per le applicazioni che richiedono una lunga durata della batteria, questa tecnologia dovrebbe raggiungere il mercato subito dopo gli ioni di litio allo stato solido.
BATTERIE A STATO SOLIDO
Che cos'è?
Le batterie allo stato solido rappresentano un cambio 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 conducibilità ionica).Nelle batterie allo stato solido, l'elettrolita liquido è sostituito da un composto solido che consente 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 mondiale – sono state scoperte nuove famiglie di elettroliti solidi ad altissima conduttività ionica, simili all'elettrolita liquido, che hanno permesso di superare questa particolare barriera tecnologica.
In data odierna,SicuroGli sforzi di ricerca e sviluppo si concentrano su 2 principali tipologie di materiali: polimeri e composti inorganici, puntando alla sinergia delle proprietà fisico-chimiche come processabilità, stabilità, conducibilità …
Quali sono i suoi vantaggi?
Il primo enorme vantaggio è un netto miglioramento della sicurezza a livello di cella e batteria: gli elettroliti solidi non sono infiammabili se riscaldati, a differenza delle loro controparti liquide.In secondo luogo, consente l'uso di materiali innovativi ad alta capacità ad alta tensione, consentendo batterie più dense e leggere con una migliore durata a causa della 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 mostrare un elevato rapporto peso/potenza, possono essere ideali per l'uso in veicoli elettrici.
Quando possiamo aspettarcelo?
È probabile che diversi tipi di batterie a stato solido vengano immesse sul mercato man mano che il progresso tecnologico continua.Le prime saranno le batterie allo stato solido con anodi a base di grafite, che porteranno prestazioni energetiche e sicurezza migliorate.Col tempo, le tecnologie per batterie allo stato solido più leggere che utilizzano un anodo metallico al litio dovrebbero diventare disponibili in commercio.
Tempo di pubblicazione: 03-ago-2022