In America si testa la cella al litio con elettrodi stampati

La startup californiana Sakuu ha presentato una cella al litio metallico con elettrodi stampati senza le classiche lamine conduttrici in rame e alluminio. Questo ritrovato ha colpito l'attenzione dell'ingegnere Sandy Munro, autorità nel campo della ricerca sulle batterie, che le ha dedicato ben due video.

La notizia ha sollevato molta curiosità nel settore, tanto che anche il Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ha dedicato una puntata del suo podcast "Charged" alla tecnica di Sakuu. Ecco cosa emerge osservando i tre video.

Batterie al litio metallico

Intanto, cominciamo col ricordare che Sakuu non nasce nell'ambito della ricerca sulle batterie, ma da quello della produzione. Fondata nel 2016, offre macchine e tecnologie per la produzione di celle commerciali, anche se questo l'ha portata a sviluppare un suo metodo produttivo creando la cella di batteria al litio metallico chiamata Cypress.

Nella cella al litio metallico non è presente l'elettrodo tradizionale sull'anodo, ma gli ioni di litio vengono scaricati direttamente sullo scaricatore, in modo che lì si formi il litio elementare o metallico.

Rivestimento a secco tramite stampa 3D 

Il catodo è invece un elettrodo convenzionale, ad esempio con chimica NMC. Può essere realizzato mediante la tradizionale verniciatura ad umido oppure a secco. Nel primo caso, lo svantaggio è che se il materiale catodico solido viene applicato a un liquido, questo deve poi essere rimosso con una complessa procedura di evaporazione.

Ecco perché anche Tesla e Volkswagen, tra gli altri, stanno studiando di applicare il rivestimento a secco. E Sakuu ha sviluppato un nuovo processo per questo, che impiega la stampa 3D.

La cella Cypress con catodo rivestito a secco ha già completato 1.000 cicli di carica-scarica prima che la capacità di stoccaggio scendesse al di sotto dell'80%. Un dato molto interessante visto che 1.000 sono molti: con una batteria da 45 kWh e un consumo dell'auto di 15 kWh/100 km, corrisponderebbero a 300.000 km.

Tuttavia, va anche detto che carica e scarica non sono state particolarmente veloci: tre ore per la ricarica e 1 ora per la scarica.

A proposito della tecnica con stampa 3D

Il rivestimento a secco tramite stampa 3D è adatto anche per la produzione di celle allo stato solido, come ricorda il responsabile di Sakuu Robert Bagheri:

"Produrre Cypress in un processo completamente a secco con la piattaforma Kavian è un passo importante nel consentire la produzione di batterie a stato solido di alta qualità in grandi quantità nel settore futuro".

Maggiori dettagli sono spiegati nel primo video di Sandy Munro. Arwed Niestroj di Sakuu spiega che, da un lato, il rivestimento a secco dell'anodo e/o del catodo viene offerto su licenza, dunque un produttore può utilizzare la chimica specifica della batteria (ad esempio una speciale chimica NMC sul catodo e grafite con aggiunta di silicio sull'anodo). Occorre pretrattare i materiali per renderli adatti al processo di stampa e quindi rendere poi la tecnologia disponibile al produttore.  

Niestroj mostra anche due catodi, uno realizzato con rivestimento a umido e l'altro con rivestimento a secco. I risultati di entrambi sono praticamente identici. La sua cella al litio metallico ha già raggiunto 1.000 cicli con catodi sia con rivestimento a umido che a secco. Come al solito, questi catodi sono costituiti da lamine metalliche rivestite in alluminio (per il catodo) o rame (per l'anodo).

Celle senza scaricatori metallici

Nel secondo video, Munro mostra le celle senza tali lamine metalliche (si può vedere nella nostra foto di copertina). I materiali degli elettrodi vengono invece applicati direttamente su una pellicola di plastica elettricamente conduttiva.

L’eliminazione dei metalli riduce costi e peso e rende possibile impilare le celle una sopra l'altra, collegandole in serie: la tensione, solitamente di 3,6 volt per cella, si somma. Con 100 celle di questo tipo si crea un sistema a 400 volt, mentre 200 celle creano un sistema a 800 volt e, per ottenere la capacità di memoria necessaria, diversi stack di questo tipo dovrebbero essere collegati in parallelo.

Sandy ora confronta la cella Sakuu senza fogli conduttori metallici con una cella 4680 (apparentemente Tesla). In un volume di 50 x 80 x 30 mm (120 cm³) può contenere 200 celle Sakuu, ma solo una singola cella 4680. La capacità di archiviazione di entrambe le soluzioni è esattamente la stessa, pari a 96 wattora, ma il peso di Sakuu è notevolmente inferiore. Ciò si traduce in una densità di energia gravimetrica significativamente più elevata.

Vergleich zwischen einer zylindrischen 4680-Zelle mit 200 Sakuu-Zellen ohne Metallfolien

Si dice anche che le cellule "PCC" superino il test delle unghie senza bruciarsi. Non hanno ancora eseguito il test dei 1.000 cicli, ma Sakuu è fiducioso che lo supererà. 

I pareri degli esperti

Nel video “Loaded” viene chiesto al chimico delle batterie, il professor Maximilian Fichtner dell'Università di Ulm e del KIT, cosa pensa di tutto questo. Riconosce che Sakuu sembra aver sviluppato un nuovo processo di produzione per il rivestimento a secco.

L'utilizzo di una pellicola di plastica elettricamente conduttiva invece di fogli metallici per condurre la corrente ha lo svantaggio di condurre la corrente in modo più debole, il che porta ad una maggiore resistenza interna e quindi ad una maggiore generazione di calore.

"Mi chiedo se sia possibile caricare davvero velocemente senza che l'apparecchio si bruci", afferma Fichtner. Ma forse esiste un altro trucco speciale per il raffreddamento.

Vorrebbe anche che un test indipendente dimostrasse che il rivestimento a secco dura davvero e che i 1.000 cicli non vengono raggiunti solo con una minuscola cella. L'altra cosa interessante è il modo in cui Sakuu riesce a far depositare gli ioni di litio come metallo sulla pellicola di plastica.

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