Le batterie allo stato solido funzionano meglio se prodotte a freddo

Tra gli ostacoli alla produzione in massa delle batterie allo stato solido e alla loro diffusione su larga scala ci sono anche i processi produttivi. Il fatto è che, nonostante il funzionamento di questo tipo di accumulatori sia analogo a quello di tradizionali batterie agli ioni di litio, la loro realizzazione richiede passaggi ad alte temperature che fanno alzare i costi e i consumi di energia.

Succede soprattutto per le batterie allo stato solido con elettrolita ceramico. Ora un team di ricercatori della Pennsylvania State University hanno trovato il modo di produrre batterie allo stato solido con elettrolita ceramico "a freddo". Ecco come.

I vantaggi del contenimento delle temperature

Secondo Hongtao Sun, professore associato di ingegneria industriale e manifatturiera dell'istituto statunitense, "le batterie allo stato solido funzionano esattamente come le batterie agli ioni di litio tradizionali, con l'elettrolita che fungono da ponte tra i due elettrodi, garantendo il passaggio di energia e i relativi cicli la carica e la scarica".

"Le batterie allo stato solido offrono maggiore stabilità e sicurezza rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio, ma presentano diverse sfide di produzione e conduttività - ha spiegato Sun -. Per esempio, le alte temperature introdotte nel processo di fabbricazione, soprattutto con le batterie allo stato solido a base ceramica, possono ostacolarne la produzione e l'implementazione pratica".

Come è fatta una batteria allo stato solido

Per superare questa sfida, Sun e il suo team hanno utilizzato una tecnica nota come sinterizzazione a freddo – un processo in cui i materiali in polvere vengono riscaldati, trattati con un solvente liquido e compressi in una forma più densa – per incorporare un composito ceramico-polimero altamente conduttivo noto come LATP-PILG. Il metodo è definito "a freddo" perché opera a temperature di lavorazione significativamente inferiori rispetto alla sinterizzazione tradizionale.

Così migliorano conduttività e stabilità

L'elettrolita di una batteria allo stato solido è generalmente composto da grani policristallini, ovvero materiali costituiti da centinaia di minuscoli cristalli. Secondo Sun, questi grani sono considerati difetti che ostacolano il trasporto di ioni conduttivi.

Per ridurre la perdita di conduzione nelle batterie con elettrolita a base ceramica, il team di Sun ha co-sinterizzato un gel liquido poli-ionico (PILG) per formare un accumulatore con elettrolita composito polimero-ceramico, un materiale ideale per l'uso grazie alla sua stabilità e all'elevata conduttività che facilita il trasporto di ioni da un elettrodo all'altro. Sun ha affermato che inizialmente il team ha tentato di utilizzare la tradizionale sinterizzazione ad alta temperatura per sviluppare i nuovi accumulatori, ma ha subito riscontrato problemi.

La batteria allo stato solido consente ricariche più rapide e garantisce autonomie maggiori

"Una delle sfide nella fabbricazione è che la temperatura di sinterizzazione della ceramica è molto elevata, al punto che la sinterizzazione tradizionale brucerebbe qualsiasi additivo, come il composto polimerico, prima che la ceramica possa essere adeguatamente densificata - ha affermato Sun -. Per questo motivo abbiamo dovuto implementare la sinterizzazione a freddo, per mantenere le temperature molto più basse. Si parla di 150 gradi Celsius al posto dei 900-1.000 dei metodi tradizionali".

"Oltre a una migliore conduttività, la nostra batteria ha mostrato un intervallo di tensione molto ampio, compreso tra 0 e 5,5 volt", ha affermato Sun, spiegando che gli elettroliti liquidi tradizionali hanno un intervallo compreso tra 0 e 4 volt. "L'ampio intervallo di tensione dei nostri accumulatori con elettrolita ceramico supporta l'uso di catodi ad alta tensione, consentendo alla batteria di generare complessivamente più energia".

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