Batterie strutturali: un prototipo rivoluzionario batte ogni record precedente. Ma di che si tratta?

I ricercatori della Chalmers University of Technology hanno compiuto incoraggianti passi avanti nello sviluppo e realizzazione di un prototipo di batteria strutturale che offre prestazioni superiori di un ordine di grandezza rispetto a quanto sia stato possibile realizzare in precedenza.

Di cosa si tratta? Le batterie strutturali sono in grado di operare sia come sorgente di energia sia come parte strutturale (da cui il nome) di ciò che alimentano. Per esempio possono essere parte della carrozzeria di un'automobile o della fusoliera di un aereo. E' il motivo per cui le batterie strutturali sono considerate come "accumulatori senza massa", poiché il peso delle batterie è anche il peso di parte della struttura portante di ciò che alimentano. Vi sono diversi studi a riguardo che dimostrano che una batteria strutturale può ridurre significativamente il peso di un veicolo elettrico.

La Chalmers University of Technology si occupa da diversi anni dello sviluppo di queste particolari batterie, che hanno portato inoltre ad alcune scoperte riguardanti determinati tipi di fibre di carbonio. Il primo tentativo di realizzazione di una batteria strutturale risale al 2007, ma fin da allora è stato complicato e difficile riuscire a realizzare batterie strutturali che uniscano buone proprietà elettriche a buone proprietà meccaniche.

Il nuovo prototipo di batteria, realizzato in collaborazione con il KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma, è caratterizzato da capacità di accumulo e proprietà meccaniche che non è mai stato possibile raggiungere precedentemente. I ricercatori hanno utilizzato particolari fibre di carbonio che possono agire contemporaneamente da elettrodo, conduttore e materiale portante.

La batteria ha una densità di energia di 24Wh/kg, pari a circa il 20% della capacità delle batterie agli ioni di litio attualmente disponibili. Ma se l'impiego di una batteria strutturale permette di abbattere significativamente il peso di un veicolo elettrico, ciò significa che sarà necessaria anche meno energia per poterlo muovere. Una minor densità di energia comporta inoltre maggiore sicurezza. A ciò si unisce una rigidità di 25GPa: a titolo di confronto il nylon ha una rigidità di 2GPa, si sale a 11GPa per il legno, la plastica rinforzata con fibra di cabonio si colloca tra 30GPa e 50GPa mentre l'alluminio arriva attorno a 70GPa.

I ricercatori hanno usato fibra di carbonio per realizzare l'elettrodo negativo, e un foglio di alluminio rivestito di fosfato di ferro e litio per quello positivo. I due elettrodi sono separati da un tessuto in fibra di vetro in una matrice elettrolitica. I risultati ottenuti sono stati in qualche modo "incidentali": i ricercatori infatti non si sono posti l'obiettivo di battere i record precedenti, ma semplicemente di indagare il comportamento dell'architettura di questi materiali e gli effetti derivanti dallo spessore del separatore.

Il risultato ottenuto ha permesso di porre le basi ad un nuovo progetto finanziato dall'Agenzia spaziale nazionale svedese per migliorare ulteriormente le proprietà della batteria strutturale. In questo contesto si andrà a sostituire il foglio di alluminio con fibra di carbonio, così da fornire sia maggior rigidità, sia maggior densità di energia. Il separatore in fibra di vetro verrà invece assottigliato per consentire cicli di ricarica più rapidi. L'obiettivo è di completare il progetto entro i prossimi due anni. L'ambizione è quella di raggiungere una densità di energia di 75Wh/kg e una rigidità di 75GPa.

"I 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. [...] La batteria strutturale di prossima generazione ha un potenziale fantastico. Se si guarda alla tecnologia di consumo, entro pochi anni potrebbe essere possibile produrre smartphone, laptop o biciclette elettriche che pesano la metà di oggi e sono molto più compatti " ha commentato Leif Asp, professore della Chalmers e coordinatore del progetto.