La nuova economia globale è sempre più spinta verso la mobilità elettrica, con il proliferare dei cambiamenti climatici, delle emissioni di gas serra e della crescente necessità di energie rinnovabili e di un futuro più sostenibile. Affinché l’adozione di veicoli elettrici (EV) e altri processi di elettrificazione abbiano successo, è necessaria la disponibilità di batterie più efficienti, economiche e sicure. Negli ultimi anni sono stati compiuti enormi sforzi e investimenti per creare batterie di nuova generazione, concentrandosi principalmente sulla chimica delle batterie, su nuove formule chimiche e su nuovi materiali come le batterie al litio-zolfo e al litio-metallo.
La tecnologia di Addionics
Addionics, una startup israeliana e britannica, ha seguito un approccio diverso rispetto alle altre aziende, concentrandosi sulla fisica anziché sulla chimica. L’approccio “chemistry-agnostic” di Addionics consente di trarre vantaggio dai progressi della chimica, apportando al contempo una nuova tecnologia alla fisica delle batterie attraverso un design fisico innovativo della cella della batteria. La nuova architettura della batteria consente di ottenere miglioramenti significativi delle prestazioni in una serie di dimensioni senza richiedere alcun cambiamento nella chimica della batteria.
Gli elettrodi delle batterie di oggi sono realizzati con pellicole sottilissime, simili ai normali fogli di alluminio che usiamo per avvolgere gli alimenti. Il loro scopo è quello di raccogliere la corrente dai materiali attivi della batteria, e questo approccio è rimasto invariato per decenni. La nuova idea è stata quella di prendere questa sottile pellicola e renderla tridimensionale, con un design e un’architettura diversi. L’obiettivo dell’azienda è progettare questi elettrodi metallici porosi tridimensionali, produrli e costruire batterie basate su questa tecnologia avanzata.
Prendendo l’attuale struttura 2D degli elettrodi e sostituendola con una struttura 3D integrata, Addionics ha sviluppato una tecnologia in grado di migliorare drasticamente le prestazioni della batteria, riducendo i costi e i tempi di ricarica e aumentando al contempo la densità di potenza e l’energia della batteria. Il metodo brevettato e scalabile di fabbricazione del metallo 3D riduce al minimo la resistenza interna e migliora la longevità meccanica, la stabilità termica e altre limitazioni e fattori di degrado tipici delle batterie standard.
Le batterie di oggi devono affrontare un compromesso tra energia e potenza: possono immagazzinare più energia o caricarsi e scaricarsi più rapidamente. Per le applicazioni EV, ciò significa che non esiste una batteria in grado di fornire una lunga autonomia e una ricarica rapida allo stesso tempo. Un altro problema legato all’attuale tecnologia delle batterie è il cosiddetto disallineamento anodo-catodo. I più recenti progressi nella chimica delle batterie agli ioni di litio prevedono l’uso del silicio nell’anodo della batteria invece della grafite pura. Sfortunatamente, le chimiche catodiche oggi dominanti non sono in grado di soddisfare gli elevati livelli di energia dell’anodo, limitando l’introduzione di queste nuove tecnologie. Addionics offre una soluzione a questi due problemi chiave riprogettando la cella. Inoltre, la tecnologia Addionics può essere applicata sia agli anodi che ai catodi, il che significa che è possibile costruire catodi più spessi e ad alta energia utilizzando un’architettura avanzata. I catodi con queste strutture 3D avranno un’energia più elevata e corrisponderanno alla capacità delle tecnologie anodiche emergenti ad alta energia.
La soluzione adotta un approccio fisico, non chimico; ciò significa che possiamo lavorare con quasi tutti i tipi di chimica delle batterie e possiamo adattare la nostra tecnologia alle nuove normative o ai nuovi materiali. Le batterie chimiche esistenti possono migliorare le loro prestazioni con elettrodi 3D e le chimiche avanzate emergenti possono superare le sfide di implementazione grazie a strutture 3D. Addionics ha già dimostrato i vantaggi degli elettrodi 3D con diversi tipi di chimica.
Elettrodo metallico poroso
L’idea di base di Addionics è quella di realizzare elettrodi 3D altamente porosi che sostituiscano le classiche lamine metalliche. In questo modo, è possibile aumentare significativamente la superficie esterna degli elettrodi stessi, con risultati positivi sul funzionamento delle cellule. La struttura 3D consente un migliore trasporto dell’elettrolita e, di conseguenza, una minore resistenza interna. La Figura 1 mostra un confronto tra la struttura convenzionale della batteria (a sinistra) e il design 3D delle celle di Addionics (a destra). Nella struttura convenzionale della batteria, il materiale attivo (nero e viola) è rivestito su fogli metallici 2D nelle strutture dell’anodo e del catodo, mentre nel progetto di cella 3D di Addionics (elettrodi 3D), gli elettrodi integrati con il materiale attivo sono incorporati nel metallo 3D. Passando al design degli elettrodi 3D, le batterie possono ottenere tre miglioramenti chiave delle prestazioni: maggiore densità energetica, minore resistenza interna e prestazioni più sicure e durature grazie a una migliore dissipazione del calore e a una maggiore stabilità meccanica.
La struttura porosa inventata da Addionics aumenta le prestazioni senza influire sul funzionamento dell’elettrodo, che rimane omogeneo e stabile anche quando aumenta la potenza utilizzata per la ricarica. Ciò significa che con un elettrodo 3D, una batteria agli ioni di litio può durare il doppio, ricaricarsi più velocemente e consentire un aumento dell’autonomia nei veicoli elettrici. La Figura 2 mostra come gli elettrodi 3D possano aumentare la durata della batteria. Il primo prototipo di cella Addionics (verde) ha dimostrato più di 2.000 cicli con un degrado della capacità di appena il 20%, rispetto alle celle standard basate su fogli di alluminio (nero).
Addionics ha inoltre sviluppato un approccio innovativo alla produzione che non solo produce strutture 3D a costi competitivi sul mercato, ma può anche ridurre i costi. Per ottimizzare la progettazione della struttura metallica 3D, Addionics ha sviluppato un software avanzato di modellazione della batteria basato sull’intelligenza artificiale che guida il processo di produzione per creare strutture ottimali. Infine, per implementare con successo strutture di batterie 3D su scala, è necessario sviluppare nuovi processi di rivestimento per rivestire uniformemente le strutture metalliche 3D.
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