Processi di produzione verde delle batterie a ioni potassio: verso gigafactory sostenibili
Hanno appena 20 anni di storia alla spalle ma incarnano a tutti gli effetti una delle grandi scommesse dell’accumulo sostenibile. Parliamo delle batterie a ioni potassio, ricaricabili di ultima generazione protagoniste del nuovo progetto di ricerca GREEN2MOVE. L’iniziativa, curata dal Politecnico di Torino e finanziata dal Ministero dell’Università e della Ricerca, partirà ufficialmente domani 1 novembre impegnando i suoi scienziati per ben 4 anni di lavori. L’obiettivo? Sviluppare e far avanzare la maturità tecnologica di nuovi processi di produzione per elettrodi e altri componenti delle celle elettrochimiche a ioni di potassio.
Batterie al potassio, come funzionano?
Le batterie al potassio funzionano in maniera simile a quelle a ioni di litio ma – come è facile intuire – utilizzano K+ per il trasferimento della carica al posto del Li+. Le celle sono composte da un catodo, un anodo, un elettrolita conduttivo per gli ioni e un separatore.
Inventate nel 2004, hanno ricevuto un’attenzione crescente solo dal 2015 grazie alla necessità di trovare un sostituto economico e abbondante al litio. Tuttavia, queste ricaricabili si trovano ancora sotto forma di prototipo a causa di una serie di sfide tecniche. Dalla oro possono vantare una maggiore sostenibilità e facilità di reperimento delle materie prime, aspetti da non sottovalutare oggi che i Paesi dell’Unione Europea stanno cercando di affrancarsi dalle supply chain cinesi.
A livello di densità energetica teorica il loro valore varia tra i 914-935 Wh/kg (a seconda del materiale catodico), quindi molto più basse rispetto alle loro controparti in litio. Ma il dato non appare preoccupante nel caso di impianti di accumulo stazionari su larga scala. I veri problemi cominciano con la bassa diffusione degli ioni di K attraverso l’elettrodo solido, i cambiamenti di volume, le reazioni collaterali, la crescita dei dendriti e la scarsa dissipazione del calore durante i cicli di carica e scarica.
Il progetto italiano GREEN2MOVE
Ad aiutare le batterie a ioni potassio ad uscire dalla fase prototipale sarà anche GREEN2MOVE (Green potassium batteries manufacturing processes: towards sustainable gigafactories). Il progetto, sotto la guida di Federico Bella, docente presso il Dipartimento Scienza Applicata e Tecnologia-DISAT, mira a sperimentare e avvicinare all’industrializzazione questa tecnologia di accumulo al fine di produrre batterie al potassio con prestazioni simili a quelle al litio.
Come? Progettando nuove celle che facilitino, tra le altre cose il riutilizzo e lo smontaggio, aumentando l’efficienza dei costi e la sicurezza di processi, mettendo a punto prodotti e tecnologie in grado di essere facilmente ampliate e automatizzate nel contesto delle gigafactory dell’industria 4.0/5.0.
Il finanziamento, della durata di 4 anni, servirà a potenziare i laboratori del Politecnico di Torino in cui verranno effettuate le sperimentazioni, rese possibili dall’acquisizione di nuovi macchinari per la produzione di componenti e studio delle prestazioni delle batterie, come i ciclatori che simulano il ciclo di vita dei dispositivi che utilizziamo nel quotidiano.
Le infrastrutture dedicate alla ricerca saranno implementate, oltre che nella sede centrale dell’Ateneo, anche presso il parco tecnologico Environment Park. Parte dei fondi saranno quindi spesi per costituire un team di lavoro dedicato: verranno create posizioni per dottorandi provenienti da aree disciplinari diverse – ingegneria, chimica, scienza dei materiali e design – che potranno così acquisire competenze cruciali per il futuro industriale dell’Europa.
Alla base del progetto, solide capacità ed esperienze di rilievo sviluppate dal Gruppo di Elettrochimica del Politecnico di Torino grazie a collaborazioni internazionali come il più grande progetto bandiera europeo sulle batterie, Battery2030+, che ha permesso alla ricerca di settore condotta in Ateneo di avanzare significativamente e porsi quale interlocutore privilegiato nel panorama di riferimento. Il Gruppo di Elettrochimica è pioniere in Italia della tecnologia al potassio, a partire dal 2020 quando il ricercatore Daniele Versaci assemblò il primo esemplare di cella funzionante.
Verso una gigafactory di batterie ioni potassio?
Lo sviluppo del progetto, che fissa il 2028 come data di fine dei lavori, coincide con il proposito dell’Europa di concludere, entro il 2030, la costruzione di gigafactory per la produzione di batterie: anche in Italia si sta procedendo in questa direzione realizzando nuovi e avanzati stabilimenti industriali. Il Politecnico sarà quindi in prima linea nel favorire l’evoluzione del settore, ponendo l’innovativa tecnologia al servizio delle fabbriche del futuro.
“Per la prima volta ci affacciamo ad un progetto che unirà le nostre capacità consolidate di ricerca e sviluppo alla sfida del mondo industriale – commenta Federico Bella – Sostenibilità di processo, scale-up, e interazione con le aziende italiane saranno gli ingredienti fondamentali dai quali partiremo”.
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