La tecnologia promette batterie più piccole ed efficienti, integrabili ai moderni prodotti e, possibilmente, riciclabili.
di Emerging Technology from the arXiv
Una delle tecnologie fondamentali allo stile di vita del 21° secolo è la batteria agli ioni di litio. Questi pacchetti energetici rendono possibili telefoni cellulari e auto elettriche, laptop e dispositivi sanitari, robot e sensori azionati a distanza e molto altro. Non sorprende che all’inizio dell’anno i loro sviluppatori abbiano ricevuto il premio Nobel per la chimica.
Gli scienziati dei materiali hanno però bisogno di batterie ancora migliori per l’Internet of Things, per la prossima generazione di dispositivi personali, e molto altro. Batterie migliori saranno anche fondamentali alla raccolta dell’energia prodotta dalle fonti rinnovabili, ma non constanti, come il vento e il sole.
Le prestazioni di una batteria dipendono da numerosi fattori. La densità energetica è cruciale, così come la capacità di mantenere la carica senza dispersioni. C’è poi il fattore della ricaricabilità, non una volta sola, ma migliaia o decine di migliaia di volte, e naturalmente, il fattore sicurezza.
Gli elettrochimici sanno fin troppo bene quanto sia delicato questo equilibrio. Di conseguenza, i produttori di batterie sono cauti nel tentare nuovi approcci, per evitare cali delle prestazioni. I miglioramenti sono quindi generalmente incrementali e minuscoli. Da dove possiamo aspettarci grandi progressi?
Secondo Vladimir Egorov dell’Università di Cork in Irlanda e alcuni colleghi, è possibile che le batterie del futuro saranno prodotte con la stampa 3D. Gli studiosi hanno esaminato varie nuove tecniche di stampa per batterie e raggiunto la conclusione che potrebbero portare ad una nuova generazione di dispositivi più piccoli e più efficienti.
Per stampa 3D si intende una varietà di tecniche che consentono di costruire oggetti tridimensionali impilando materiale strato per strato. È una tecnica utile nella realizzazione di prototipi per i test, prodotti alimentari esotici, parti di ricambio del corpo e persino interi edifici. L’uso di molte macchine da stampa in parallelo consente la produzione in serie di articoli come componenti di automobili e aerei. Ciascun nuovo design può essere stampato rapidamente, con una riconfigurazione minima degli spazi di produzione.
Gli scienziati dei materiali hanno anche iniziato a sperimentare metodi per stampare circuiti elettronici utilizzando inchiostri polimerici e un polimero d’argento permetterebbe di fare a meno di saldature. In questo modo, i circuiti stampati possono assumere più o meno qualsiasi forma e persino far parte della struttura di un dispositivo. Un limite importante, però, rimane la necessità di fare spazio per le batterie convenzionali, di dimensioni e forme specifiche.
La possibilità di stampare batterie 3D risolverà la situazione. “Stampare batterie perfettamente integrate nel design del prodotto, dal punto di vista estetico come del comfort o della funzionalità, permetterà di evitare le voluminose batterie standard”, spiegano Egorov e colleghi.
Più facile a dirsi che a farsi, però. I materiali elettroattivi utilizzati nelle batterie sono intrinsecamente reattivi e strutture come anodi e catodi sono fisicamente complesse. Devono spesso ordinati come cristalli e possono essere porosi come spugne molecolari. La loro composizione chimica deve sempre essere molto precisa.
È difficile creare versioni di questi materiali adatte alla stampa 3D, sia per estrusione solida o liquida, sia per polimerizzazione del liquido. Una volta stampati, i materiali devono mantenere le proprie interconnessioni elettriche, controllare rigorosamente qualsiasi reazione chimica che si verifica tra i componenti e garantire che le batterie possano caricarsi e scaricarsi per molti cicli.
Soprattutto, le batterie devono essere sicure. Tutte le batterie devono superare severi standard di sicurezza prima di poter essere utilizzate in case, veicoli, aerei e così via. Le batterie che perdono possono causare danni costosi, ma il rischio più grave è il fuoco. È possibile che i criteri dei test debbano essere modificati per accomodare progetti sempre nuovi. Una volta superate queste sfide, bisognerà valutare l’efficienza delle batterie 3D.
Egorov e colleghi forniscono una panoramica completa dei materiali, dei metodi e delle sfide che l’industria delle batterie deve affrontare nella stampa dei gruppi di potenza del futuro, eppure ai revisori manca un elemento importante del futuro design delle batterie stampate in 3D. Una delle maggiori e più importanti sfide per l’industria delle batterie è quella di rendere riciclabili i propri prodotti.
Le batterie attuali sono progettate in maniera tale da non essere facilmente apribili, fattore che rende quasi impossibile riutilizzare i preziosi materiali al loro interno. Questa caratteristica mal si adatta al ruolo centrale che le batterie dovranno avere nella transizione dai combustibili fossili alle energie rinnovabili.
È necessario un grande cambiamento. È convinzione attuale che le batterie debbano essere progettate riciclabili fin dal principio. La flessibilità dei progetti della stampa 3D ha il potenziale di avviare ed accelerare questa rivoluzione tanto necessaria. nonostante Egerov e colleghi ignorino questo problema (il termine “riciclo” non appare nel loro studio), il resto dell’industria delle batterie non può permettersi di fare altrettanto.
Per approfondire: Evolution of 3D Printing Methods and Materials for Electrochemical Energy Storage
Immagine: Getty / MIT Technology Review
(lo)
