più rispettoso dell'ambiente, più economico, con una maggiore capacità di stoccaggio e una maggiore durata:molte richieste sono rivolte alla batteria del futuro. Un team spagnolo di ricercatori utilizza la tecnologia laser per progettare la prossima generazione di batterie.

Le vecchie batterie al piombo, che hanno funzionato bene per circa un secolo a basso costo, sembrano incapaci di offrire una capacità di archiviazione sufficiente per le esigenze del nostro tempo. Certamente, non sono stati progettati per le auto elettriche. Altri tentativi come Ni-Cd (nichel cadmio) o Ni-MH (nichel idruro metallico) si sono rivelati troppo deboli per spingere un veicolo elettrico.

Sebbene piuttosto costoso al suo pop-up commerciale nei primi anni '90, la tecnologia agli ioni di litio (Li-ion) è diventata ragionevole nel tempo e ora può soddisfare le esigenze del campo pratica di molte persone. La distanza media giornaliera per i pendolari nel mondo è inferiore a 50 km. Però, aspetti importanti come il costo e la stabilità devono essere adeguati, dicono i ricercatori.

Nell'ambito del progetto Laser4Surf finanziato dall'UE, gli scienziati stanno affrontando uno di questi parametri, vale a dire la stabilità della batteria agli ioni di litio. "Stiamo usando il laser per cambiare la superficie del collettore attuale, che è uno dei componenti della batteria, fatto di metallo. Queste modifiche miglioreranno la stabilità della batteria, prolungandone così la durata, " spiega il fisico Dr. Miguel Ángel Muñoz-Márquez, capogruppo di Advanced Interface Analysis presso il CIC energiGUNE di Álava, Spagna.

Qualsiasi cella agli ioni di litio (batteria) ha un collettore di corrente su entrambe le estremità. Il materiale dell'elettrodo è colato come vernice su ciascun collettore di corrente; immagazzina gli ioni di litio e li rilascia quando necessario, durante il funzionamento a batteria. tecnicamente, l'azione del laser sulla superficie metallica consente una migliore adesione dell'elettrodo al collettore di corrente. Ciò impedisce qualsiasi reazione indesiderata che potrebbe innescare la delaminazione dell'elettrodo dal collettore di corrente.

"Queste modifiche possono anche aumentare le prestazioni della batteria sotto carichi ad alta potenza. Con il laser, vogliamo aumentare la superficie attiva del collettore di corrente, consentendogli di gestire più elettroni nel processo di carica e scarica, " aggiunge Miguel Angel Muñoz.

Le attuali batterie agli ioni di litio che mettono in moto le auto elettriche sono abbastanza potenti. A seconda dell'azienda produttrice, un'auto può percorrere tra i 200 ei 500 km senza caricare la batteria. Il problema principale è la convenienza, in quanto il costo della batteria è circa il 40% o il 50% del costo dell'auto. "Questa cifra può essere ridotta sia migliorando la tecnologia, come stiamo facendo nel progetto Laser4Surf, o trovando materiali più economici. Se viene trovata una soluzione per estendere la durata della batteria, questo sarebbe un successo anche se ha un prezzo più alto. La batteria dura di più e gli investimenti verranno ripagati, "dice Munoz.

Un altro aspetto importante del progetto riguarda la sostenibilità delle batterie. In Laser4Surf, i ricercatori saltano un passaggio chimico nel processo di produzione:il rivestimento in carbonio dell'attuale collettore. Il rivestimento in carbonio su una normale batteria agli ioni di litio migliora le prestazioni del collettore di corrente, per esempio. per garantire un miglior contatto elettrico tra il collettore di corrente e l'elettrodo. "Il laser modifica la superficie del collettore di corrente ed elimina la necessità di rivestimento chimico. Allo stesso tempo, l'incisione laser migliora sia il contatto elettrico che meccanico, quindi le batterie funzionano meglio, " spiega Munoz.

Dopo il primo test di laboratorio, Miguel Angel Muñoz è pieno di speranza per il futuro di questa ricerca:"In questa seconda metà del progetto, stiamo lavorando ad un prototipo sviluppato nella linea di verniciatura, disponibile nella stanza asciutta del nostro centro. Questo prototipo avrà le dimensioni approssimative di una batteria di un telefono cellulare e la cella ottenuta può essere considerata una sperimentazione preindustriale". Il passo successivo è convincere le aziende produttrici di batterie che questi risultati sono competitivi. "Uno degli obiettivi di questo progetto è costruire macchine in grado di modificare la superficie del rame su larga scala, quindi ci sarà un prototipo preindustriale. Se tutto va bene, in meno di dieci anni, saremo in grado di produrlo su scala industriale, " Aggiunge.

"Migliorare il contatto tra il materiale attivo e il collettore di corrente è estremamente importante ed è un ottimo approccio per aumentare la durata e le prestazioni di carica della batteria, " afferma il Prof. Stefano Passerini, direttore dell'Istituto Helmholtz di Ulm, Germania e caporedattore del "Journal of Power Sources". Pensa che i laser potrebbero essere una tecnologia di successo, visto che ora costa meno Però, si dovrebbe calcolare un equilibrio costi/benefici e solo allora si potrà valutare l'efficacia della ricerca.

"Il fatto che l'utilizzo della tecnologia laser possa migliorare il contatto dovrebbe essere dimostrato. Sono a conoscenza di altre applicazioni laser, in cui le squadre stanno pianificando di realizzare scanalature negli elettrodi per aumentare lo spessore dell'elettrodo, cioè., la densità energetica, mantenendo buone prestazioni di potenza. Questa combinazione sarebbe buona per lo stoccaggio di energia, ma tutti questi approcci devono essere dimostrati su scala industriale, "Passerini dice, aggiungendo che l'industria impiega molto tempo per modificare i processi stabiliti a meno che non sia evidente un miglioramento sostanziale o un enorme risparmio sui costi.

Ciò nonostante, questo tipo di ricerca può portare a notevoli risparmi sui costi per le imprese, crede Munoz. Qualsiasi innovazione ha un impatto misurabile sull'industria delle batterie e può aiutare a ottenere maggiori finanziamenti per un laboratorio consentendo di dedicare maggiori sforzi in questa direzione.

Sempre più gruppi scientifici dedicano tempo allo studio delle batterie. "Esistono vari livelli di ricerca. In primo luogo, c'è ricerca applicata, eseguiti dalle aziende. I risultati di questo tipo di ricerca hanno un impatto a breve termine e il rischio per il successo del progetto è basso. In secondo luogo, there is research based on incremental improvements, with short to mid-term impact, with a higher degree of risk, typically developed by technology centers. Qui, working groups attempt to improve battery capacity and reduce cost. Finalmente, there is fundamental research with medium to long-term impact and high risk, which is typically carried out by research centers or universities. Their results may bring about a revolution, a paradigm shift. Teams could discover for example a new material for high performance lithium ion batteries, a new production method, a new electrode material or a new electrolyte that could bring sodium ion or lithium sulfur batteries onto the market against Li-ion, " Muñoz explains.

The overall demand for better performing batteries leads to various ways of approaching the topic and synergies among different levels of research seem to be needed more than ever.