La dieta svedese per le batterie strutturali

Nelle batterie non tutti i ricercatori puntano a densità di energia da record come primo obiettivo: alla Chalmers University of Technology puntano su radicale taglio del peso e su integrazioni strutturali

Le batterie nei veicoli elettrici attuali costituiscono una larga porzione del peso complessivo, di solito senza condividere alcuna funzione strutturale. Una parte della ricerca si è già avviata verso l’idea di aggiungere una funzione strutturale alle celle e alle batterie, con la progettazione cosiddetta cell-to-pack e cell-to-car che sta attirando una platea che spazia dagli antesignani produttori cinesi come BYD e CATL fino ai gruppi occidentali come Volkswagen e Tesla.

Ma esiste una ricerca molto più radicale ed ambiziosa che riguarda le batterie strutturali, che funzionano sia come sorgente di energia sia come parte della struttura del veicolo. Vengono anche definite massless: perché il loro peso quasi svanisce all’interno della struttura.

In Svezia ricercatori ne hanno prodotta una che ha un rendimento 10 volte superiore ai primi prototipi, con la fibra di carbonio impegnata in un ruolo multi-tasking come elettrodo, conduttore e materiale strutturale.

Presso il Politecnico Chalmers da diversi anni a partire dal 2007 si sviluppa questo tipo di soluzione, con una particolare attenzione all’impiego di fibre di carbonio appropriate che hanno meritato anche nel 2018 ad uno loro studio di entrare nella Top10 delle scoperte annuali compilata da Physics World.

L’obiettivo di produrre batterie con buone proprietà elettriche e meccaniche ha fatto ora un passo avanti consistente in collaborazione con il KTH, Royal Institute of Technolgy, con la presentazione di un nuovo prototipo di batteria strutturale che supera tutti quelli precedenti per rigidezza, forza, capacità di stoccaggio. La nuova batteria ha una densità di energia gravimetrica di 24 Wh/kg, il che la colloca solo al 20% di quella di una buona cella convenzionale agli ioni di litio.

Ma lo straordinario risparmio di peso consentito da una batteria strutturale la può già rendere una alternativa interessante per molti progetti nei quali il peso è essenziale: come droni o ultraleggeri. La riduzione di peso consentita da questa soluzione può renderla competitiva relativamente presto anche su veicoli convenzionali, considerato che tagliando la massa sarebbe richiesta molta meno energia per spingere il veicolo. Inoltre con una rigidità di 25 GPa, la batteria strutturale può già competere con materiali utilizzati abitualmente nei progetti.

Il leader del progetto Leif Asp (nella foto di apertura) ha commentato nella nota diffusa da Chalmers in occasione della pubblicazione del paper che ha riassunto i risultati: “i precedenti tentativi di fare una batteria strutturale sono risultati in celle o con buone proprietà meccaniche o buone proprietà elettriche. Ma qui utilizzando fibra di carbonio abbiamo avuto successo nel progettare una batteria strutturale con entrambe: capacità di stoccaggio di energia competitiva e rigidezza”.

La nuova batteria ha un anodo fatto di fibra di carbonio (quindi non poi così lontano dagli elettrodi negativi convenzionali in grafite) e un catodo con uno strato di LFP (il litio ferro fosfato già noto per sicurezza e robustezza che sta riprendendo piede anche tra le auto elettriche oggi in commercio) su una lamina di alluminio, separati da un tessuto di fibra di vetro e con elettrolita polimerico SBE.

Tre batterie strutturali connesse in serie e laminate come parte di una struttura più grande in compositi. Ciascuna cella della batteria strutturale ha un voltaggio nominale 2,8V e la struttura un voltaggio totale di 8,4V con una rigidezza di 28 GPa (credito foto Marcus Folino/Chalmers University of Technology)

Da questo positivo risultato iniziale prenderà il via il prossimo studio della durata di due anni, supportato dall’Agenzia Spaziale Svedese, che per iniziare verificherà se sia possibile sostituire la lamina di allumino con fibra di carbonio per aumentare ulteriormente la densità di energia e e la rigidità.

Il separatore in fibra di vetro sarà sostituito da una versione ancora più sottile. L’obiettivo che si sono posti il Professor Asp e i collaboratori è di arrivare a una densità di energia gravimetrica di 75 Wh/kg e a una rigidità di 75 GPa.

“La prossima generazione di batterie strutturali ha un potenziale fantastico”, ha aggiunto il docente di Chalmers. “Se si guarda alla tecnologia dell’elettronica di consumo, potrebbe davvero essere possibile entro pochi anni costruire smartphone, laptop, o e-bike che pesino la metà di quelle attuali e siano più compatti”.

Credito foto di apertura: Marcus Folino/Chalmers University of Technology