La ricetta bavarese per batterie con separatori in vetro
Più sicurezza e ricariche veloci meno problematiche per i veicoli elettrici e l’elettronica di consumo grazie al progetto comune GlasSeLIB di università di Bayreuth, Tesla e Varta
Possono non essere i componenti di cui si sente più spesso parlare per migliorare le batterie, i separatori, spesso messi in ombra dalla ricerca su catodi, anodi o elettroliti. Ma sottovalutarne l’importanza sarebbe un errore. Un pacco batterie di una Tesla Model 3 ospita 4.146 celle cilindriche Panasonic tipo 2170: l’area totale dei separatori che contengono corrisponde a circa 250 m2.
Supponendo che il mezzo milione di Tesla venduto nel 2020 fosse equipaggiato di quelle celle (in effetti le cifre delle batterie di Model S, X ed Y differiscono da quelle delle Model 3) la superficie dei separatori usciti dalle fabbriche auto di Fremont e Shanghai sarebbe stata di circa 125 km2, ipotizzando di estrarli tutti dalle celle e stenderli l’uno accanto all’altro: si tratta di circa il doppio del territorio della Repubblica di San Marino.
La loro importanza non è solo una questione di quantità ma anche di qualità, per il compito che hanno di tenere divisi i due elettrodi in ogni jolly roll: il fazzoletto di materiali attivi, collettori di correnti e appunto separatori che nel caso delle celle cilindriche viene arrotolato strettamente ed immerso nel liquido elettrolitico.
L’università di Bayreuth, insieme a partner come la controllata tedesca Tesla e Varta Microbattery, questa settimana ha varato il programma GlasSeLIB, che punta a sviluppare separatori realizzati con sostanze basate sul vetro per sostituire quelle comuni attualmente: polimeri, ad esempio poliolefine.
L’obiettivo è di aumentare la sicurezza delle celle che spingono veicoli elettrici o alimentano l’elettronica di consumo e di allungarne la vita utile, nonché di rendere possibili ricariche molto più rapide senza pagare lo scotto di incidenti o brutte sorprese.
Nel richiamo più vasto riguardante il mercato globale delle auto elettriche, quello che riguarda LG Energy Solution e Hyundai, i separatori convenzionali a più riprese erano stati chiamati in causa tra i possibili fattori scatenanti. Finora non è stata messa la parola fine alla questione delle responsabilità e quindi chi ha fornito i separatori (LG Electronics e la giapponese Toray) non può ancora dirsi sereno.
Il fattore sicurezza, come ricordano questi ed altri episodi molto pubblicizzati di corti circuiti e thermal runaway, sarà quello primario del progetto GlasSeLIB. I polimeri oggi impiegati possono diventare instabili se eccessivamente surriscaldati: in questi casi il loro ruolo di barriera tra i due elettrodi può essere messo in questione.
Inoltre la pellicola di polimeri è passiva, e per aumentare il contenuto di energia della cella ai produttori premerebbe poter aggiungere materiali attivi allo strato divisorio. Ma la cosa va fatta con cautela, per evitare di diminuire l’efficacia del prodotto dal punto di vista della sicurezza. Il materiale vetroso da questo punto di vista parte con il vantaggio di avere una eccellente resistenza alle alte temperature, fino a 500 gradi.
Il traguardo da raggiungere è reso difficile dalla ricerca di spessori estremamente piccoli. Il project manager di GasSeLIB Thorsten Gerdes ha dichiarato nella nota ufficiale: “ridurre le membrane vetrose a 20 micrometri di spessore è per noi una importante sfida manifatturiera. Ma è essenziale assicurare che l’affidabilità operativa delle batterie aumenti o sia almeno mantenuta, così che le future innovazioni possano significativamente aumentare le loro prestazioni, ad esempio per la loro capacità di stoccaggio”.
Il professor Gerdes appartiene al KeyLab Glass Technology dell’università di Bayreuth e coordina il progetto a cui partecipano la cattedra di Ingegneria dei Processi e dei Materiali della stessa università, e le aziende Füller Glastechnologie, Vitrulan Glass Textile, Varta Microbattery e Tesla Germany.
Le ultime due, la cui ricerca è sovvenzionata anche da fondi del secondo IPCEI europeo approvato a gennaio, metteranno a disposizione i propri laboratori per test ai separatori vetrosi, mentre GlasSeLIB sarà finanziato in tre anni per €375.000 dalla Fondazione per la Ricerca della Baviera.
Forse è superfluo precisarlo, ma la ricerca di Bayreuth, Tesla, Varta & C. è concentrata su separatori in vetro da impiegare in celle convenzionali che utilizzeranno elettroliti allo stato liquido. Sostanze vetrose o miste vetro-ceramiche sono al centro di ricerche che puntano invece a celle con elettroliti solid state: peraltro in questi casi sono in molti a ritenere che gli elettroliti allo stato solido, incluso eventualmente il vetro riassumano di fatto anche la funzione dei separatori polimerici.
Tra 2016 e 2017 il premio Nobel John Goodenough e la ricercatrice portoghese Maria Helena Braga hanno presentato una interessante (e discussa) batteria ricaricabile che impiega come elettrolita vetro formato insieme a idrossido di litio, cloruro di litio e drogato con bario. All’industrializzazione e alla commercializzazione di questo modello si sta dedicando da tempo l’utility canadese Hydro-Québec.
