L’accumulo di energia costituisce una delle chiavi per la gestione e distribuzione delle risorse energetiche nei prossimi anni. Nel quadro generale, si possono individuare tre grandi settori applicativi che sono delineati dalle dimensioni dei dispositivi di accumulo: applicazioni portatili, automotive e supporto/gestione delle reti elettriche.
Uno dei cinque temi di ricerca affrontati dal Progetto FLEXILAB, Progetto "Dipartimenti di Eccellenza" 2018-2022, si concentra sull’ottimizzazione e la ricerca nel campo delle batterie ricaricabili al litio che hanno prestazioni più elevate in termini di densità di potenza ed energia rispetto a sistemi acquosi quali quelli al piombo o alcalini.
Intervistiamo il Prof. Riccardo Ruffo, professore di Chimica Fisica del Dipartimento di Scienza dei Materiali e work package leader di questa attività di ricerca, per capire perché puntare su questo tipo di dispositivi di accumulo di energia e quali sono stati i risultati raggiunti durante il progetto.
Perché puntare sulle batterie al litio?
Le batterie al litio, nelle loro diverse configurazioni e formati, dominano da anni il mercato delle sorgenti di potenza per dispositivi elettronici, mentre stanno trovando sempre maggiore applicazione nel settore automotive. La pressione che il settore automotive sta mettendo sui produttori di batterie è testimoniata da un lato dalla riduzione del costo dell’energia accumulata (da 1000 a 100 $/kWh negli ultimi 10 anni), dall’altro al forte impulso alla ricerca che non si è concentrata solo sugli aspetti ingegneristici del battery pack ma anche sullo sviluppo e l’implementazione di nuove chimiche (anodi misti grafite/silicio, catodi a elevata capacità, elettroliti solidi).
Qual è l’obiettivo di FLEXILAB sui dispositivi di accumulo e l’approccio adottato?
L’obiettivo della ricerca è quello di perseguire due strade diverse: la prima, di migliorare i materiali elettroattivi per produrre nuove batterie ricaricabili al litio con maggiori densità di energia, migliori cinetiche di carica e costi inferiori, la seconda quella di esplorare la possibilità di utilizzare chimiche alternative al litio differenziando i dispositivi in funzione dei settori applicativi.
Nel caso dei sistemi al litio, le ricerche hanno seguito le linee guida della comunità europea, concentrandosi sullo sviluppo di una batteria a stato solido con anodo di litio metallico. Riguardo le altre chimiche, le ricerche si sono indirizzate prevalentemente sulla chimica del sodio, per la quale sono stati progettati, sviluppati e studiati nuovi materiali elettrodici. In questo caso si sono anche sfruttate collaborazioni virtuose con aziende e enti di ricerca, come ad esempio RSE (Ricerca sul Sistema Energetico).
Particolare attenzione è stata posta nella ricerca di materiali per cui la maggiore accessibilità e i minori costi di produzione coincidessero con un minore impatto ambientale dei dispositivi esausti. L’utilizzo di studi computazionali di adsorbimento e diffusione ionici permettono di ottimizzare i parametri sperimentali e concentrarsi sulle soluzioni più promettenti.
Quali sono stati i risultati raggiunti?
I gruppi di ricerca coinvolti nel WP hanno raggiunto importanti risultati rispetto alla progettazione e sviluppo di batterie a stato solido, mostrando l’importanza che riveste il corretto accoppiamento dei materiali all'interno dei dispositivi al litio. Grazie alle ampie collaborazioni interne, che hanno coinvolto gruppi di chimici sperimentali, teorici, elettrochimici e polimeristi, i ricercatori coinvolti nel WP2 hanno fabbricato materiali che si hanno mostrato prestazioni che costituiscono lo stato dell’arte nella ricerca sui dispositivi a stato solido equipaggiati con litio metallico.
Nel campo della sostituzione del lito, invece, sono stati ottenuti risultati fondamentali riguardo nuovi materiali elettrodici per batterie al sodio. I ricercatori del dipartimento, insieme ai colleghi di RSE, hanno prodotto ricerche seminali su materiali bi-dimensionali che hanno mostrato tempi di vita molto promettenti, permettendo di risolvere uno dei problemi alla base dello sviluppo della batterie ricaricabili a ione sodio, ovvero la disponibilità di materiali per l’elettrodo negativo.
Infine, sono anche stati ottenuti risultati di rilievo relativi ad altre chimiche post-litio (potassio), riguardo all’utilizzo di materiali organici e alla modellizzazione di materiali e interfacce per comprendere sempre più approfonditamente i meccanismi che sottendono il funzionamento delle batterie.