Le prospettive delle celle «thin film» sono solide
Dal consorzio di ricerca svizzero Empa uno spin-off chiamato BTRY propone batterie con caratteristiche diverse anche da quelle (parenti strette) con elettroliti allo stato solido
Dalla Svizzera arriva un esempio interessante di spin-off, in questo caso dell’istituto elvetico Empa, che vuole rivoluzionare le batterie: grazie alle celle a film sottile aspira BTRY. Così si chiama la società varata dal CEO Moritz Futscher e dal CTO Abdessalem Aribia. Non solo promettono di rivelarsi più sicure e durature delle tradizionali celle agli ioni di litio, ma sono anche molto più rispettose dell’ambiente nella produzione e possono essere caricate e scaricate in un solo minuto.
Le celle thin film non intendono proporsi sui veicoli elettrici che guideremo nel 2030, magari al posto di celle con anodi a silicio dominante o con elettroliti semi-solidi, ma la proposta tecnologica è interessante e con uno spettro di applicazioni che sembra poter diversificare l’offerta nel giro di un paio di lustri, che per la pianificazione industriale o per la filiera delle materie prime equivalgono a dire: “dopodomani”.
Con ben chiare le attuali limitazioni delle batterie agli ioni di litio, come il perdere capacità ad ogni ciclo di carica e scarica, il ricaricarsi in modo relativamente lento e il funzionamento ideale solo in un intervallo di temperatura ristretto, i due neo-imprenditori e ricercatori attivi nel laboratorio Thin Films and Photovoltaics dell’Empa, hanno voluto ripensare la tecnologia delle batterie.
La cella di laboratorio, presentata in un paper liberamente accessibile dal titolo “Monolithically-stacked thin-film solid-state batteries”, consiste di un collettore di corrente di alluminio, un catodo amorfo LiCoO2 (LCO), un elettrolita allo stato solido Lipon già noto per esser stato sviluppato per altre celle thin film con anodi al litio metallico ma qui abbinato a un anodo al silicio, mentre l’altro collettore di corrente è una lamina di rame.
Rispetto ad altre tecnologie esistenti o in via di sviluppo, la loro batteria allo stato solido offre alcuni vantaggi significativi: può essere caricata e scaricata entro un minuto, dura circa dieci volte più a lungo di una batteria agli ioni di litio ed è anche insensibile alle fluttuazioni di temperatura.
Inoltre, a differenza delle batterie agli ioni di litio, non è infiammabile: un grande vantaggio rispetto ai timori che riguardano il trasporto (specie via mare) di veicoli elettrici. La manipolazione errata o i danni a una cella agli ioni di litio convenzionale possono creare corti circuiti e/o incendi difficile da estinguere. “Al contrario, se tagli la batteria con le forbici“, sottolinea Aribia nella nota rilasciata dall’Empa, “otterrai semplicemente due buone batterie tagliate a metà”.
Aribia e Futscher ora vogliono portare questa promettente tecnologia dimostrata con una batteria molto piccola, 1×3 millimetri, sul mercato, con grandi speranze. Insieme al capo del laboratorio Yaroslav Romanyuk, hanno creato uno spin-off battezzato BTRY (che si pronuncia come “battery”).
I due ricercatori lavorano insieme al progetto di questa batteria a film sottile da anni e sono un team unito dalla convinzione della bontà del lavoro, comferma Futscher: “siamo convinti che il nostro prodotto possa offrire un reale valore aggiunto”.
La tecnologia delle celle allo stato solido a film sottile sono note dal 1980 ma, a causa della massa molto bassa dei loro componenti a film sottile (l’intera cella ha uno spessore di pochi micrometri), finora è stata in grado di immagazzinare pochissima energia. Futscher e Aribia sono riusciti a impilare le celle thin film una sopra l’altra, aumentandone così la capacità e rendendole promettenti per applicazioni commerciali.
Le celle a film sottile sono prodotte utilizzando il rivestimento sottovuoto: i materiali desiderati vengono atomizzati in una camera a vuoto per formare singoli atomi, che vengono poi depositati in uno strato controllato con precisione sul substrato target.
“Tali metodi di produzione sono attualmente utilizzati su larga scala nella produzione di chip semiconduttori e rivestimenti in vetro”, afferma Futscher. “Questo è un vantaggio per noi, perché le macchine e il know-how per produrre la nostra batteria sono già in gran parte disponibili”.
Il metodo di produzione ad alta precisione ha un ulteriore vantaggio: “a differenza del metodo tradizionale di produzione delle batterie, il nostro metodo non utilizza solventi tossici”, spiega Aribia, sottolineando un aspetto a cui nel settore della produzione agli ioni di litio si cerca di rispondere con i rivestimenti a secco (o dry coating) che non fanno ricorso al solvente NMP.
Tuttavia, la lavorazione rende anche la cella a film sottile più costosa. I ricercatori vedono quindi la sua più immediata applicazione principalmente in prodotti in cui la batteria rappresenta solo una piccola parte del costo complessivo del dispositivo, ad esempio negli smartphone e negli smartwatch o nei satelliti. “Lì, i vantaggi della nostra tecnologia compensano ampiamente il prezzo più alto”, afferma Aribia.
I ricercatori non sono gli unici a credere che il loro prodotto abbia un grande potenziale. BTRY è stato sostenuto da Innosuisse ed è diventato l’incubatore di imprese dell’Agenzia Spaziale Europea. Inoltre, Aribia ha ricevuto una borsa di studio Empa Entrepreneur, che sostiene i giovani ricercatori che vogliono fondare un’azienda.
Ma prima che le prime batterie a film sottile vengano lanciate nello spazio o forniscano elettricità agli smartphone, c’è ancora molto lavoro da fare, sia dal punto di vista amministrativo che tecnico. Nel frattempo, i due fondatori stanno utilizzando le attrezzature e le strutture del Coating Competence Center di Empa per creare prototipi di batterie più grandi e potenti al fine di mostrare ai potenziali investitori che vale la pena sostenere la tecnologia.
Nei prossimi due anni, i ricercatori vogliono aumentare sia la superficie della batteria che il numero di strati. “Attualmente, le nostre batterie sono costituite da soli due strati di circa 1×3 millimetri”, afferma Aribia. “Successivamente, vogliamo realizzare una batteria di circa un centimetro quadrato con due o tre strati. Non possiamo ancora alimentare un satellite con questo, ma possiamo benissimo dimostrare che la nostra tecnologia è scalabile”.
La principale attività futura dei fondatori di BTRY appare mirata a dimostrare la conferma concreta dei lavori di modellazione applicata alle celle a film sottile: se i grafici rivelano che la cella di laboratorio non raggiunge ancora le performance di una cella commerciale come la diffusissima cilindrica LG Chem 18650, nelle batterie bipolari sviluppate c’è il potenziale per arrivare a energie specifiche ben superiori a 250 Wh/kg a un tasso di carica 10C sia con catodi LCO che (soprattutto) con chimica NMC811.
Secondo i ricercatori rossocrociati si potrebbe raggiungere > 250 Wh/kg anche a un rateo di carica 60C nel caso di applicazione del catodo NMC811. L’aspetto interessante della soluzione proposta da BTRY è che batterie con elettroliti allo stato solido sviluppate con catodi NMC811 di spessore superiore a 30 μm finora non sono state in grado di spingersi a C rate sopra 10 C: un punto di forza, quello della velocità di ricarica, su cui la società punterà per differenziare la sua batteria thin-film rispetto a celle solid state più convenzionali.
