Un gruppo di ricercatori in Svezia ha realizzato batterie strutturali in composito di fibra di carbonio robusta come l'alluminio e sufficientemente capace da essere utilizzata a livello commerciale
Arriva dalla Svezia e più precisamente dalla Chalmers University of Technology, la batteria strutturale in fibra di carbonio con la più alta densità energetica mai registrata. Un 30 Wh/kg che, sebbene impallidisca rispetto all’energia specifica delle tradizionali ricaricabili a ioni di litio (100–265 Wh/kg), apre le porte del mercato.
Come è possibile? Merito della sua doppia funzione che ne estende il range applicativo. “Siamo riusciti a creare una batteria in composito di fibra di carbonio che è robusta come l’alluminio e sufficientemente densa a livello energetico da essere impiegata a livello commerciale”, spiega afferma Richa Chaudhary, ricercatore della Chalmers e primo autore dello studio in materia.
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Cosa sono le batterie strutturali?
Le batterie strutturali sono dispositivi multifunzione in grado di immagazzinare energia elettrica e contemporaneamente sopportare carichi meccanici. Si tratta di un concetto relativamente nuovo nel settore dell’accumulo, nato dalla necessità di ridurre il peso delle batterie nei veicoli elettrici. Unità più leggere (ma dotate di buona capacità) possono infatti migliorare l’integrazione dell’energy storage nei mezzi, contribuendo così ad aumentarne l’autonomia.
Mentre la maggior parte della ricerca di settore sta tentando di raggiungere questo obiettivo incrementando la densità energetica (ossia la quantità di energia accumulata rispetto al peso), alcuni studi hanno preferito puntare sulla multifunzionalità. Ad esempio creando un dispositivo in grado di sostituire precisi componenti fisici all’interno di un sistema.
Nascono così la batterie strutturali, ricaricabili in grado di offrire risparmi di peso fino al 20% se impiegate direttamente come struttura portante dei veicoli. E non solo. Una batteria strutturale potrebbe determinare vantaggi anche in altri campi, ad esempio dimezzando il peso di un laptop o rendendo il telefono cellulare sottile come una carta di credito.
Fibra di carbonio per entrambi gli elettrodi
In questo contesto, le fibre di carbonio a base di poliacrilonitrile rappresentano attualmente il miglior materiale per gli elettrodi, garantendo un buon equilibrio tra proprietà meccaniche ed elettrochimiche. Può fungere infatti da rinforzo, da collettore elettrico e materiale attivo. Tuttavia fino a ieri l’utilizzo di questo composto in batterie multifunzionali era stato studiato soprattutto a livello dell’elettrodo negativo.
Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia e Leif Asp della Chalmers University of Technology hanno portato la ricerca su un nuovo livello. Il team ha impiegato la fibra di carbonio sia come elettrodo negativo che come elettrodo positivo, rivestendolo in quest’ultimo caso con litio ferro fosfato. E ha aggiunto un sottile separatore di cellulosa. Tutti i componenti sono stati quindi incorporati nell’elettrolita della batteria strutturale e polimerizzati per fornire rigidità.
“Poiché la fibra di carbonio conduce la corrente di elettroni, la necessità di collettori di corrente realizzati in rame o alluminio (ad esempio) è ridotta, il che riduce ulteriormente il peso complessivo”, spiega l’ateneo. “Né sono richiesti i cosiddetti metalli di conflitto come cobalto o manganese nel design dell’elettrodo”.
La miglior batteria strutturale multifunzione
I risultati parlano da soli: il composito della batteria strutturale dimostra una densità energetica di 30 Wh/kg e stabilità ciclica fino a 1.000 cicli con circa il 100% di efficienza coulombiana. Il modulo di elasticità – che esprime il rapporto tra tensione e deformazione in caso di carichi – supera i 76 GPa; il valore più alto finora riportato in letteratura per questi dispositivi di accumulo. Detto in altri termini, il materiale può sopportare carichi al pari dell’alluminio, ma vantando un peso inferiore.
“In termini di proprietà multifunzionali, la nuova batteria […] è la migliore mai realizzata al mondo”, afferma Leif Asp, che studia le batterie strutturali dal 2007. Il team rimane onesto sulle prospettive future, ricordando come vi sia ancora molto lavoro da fare prima di arrivare alla produzione su larga scala. La ricerca è stata pubblicata su Advanced Materials (testo in inglese).
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