Laboratorio Christian Doppler per i solidi

Negli ultimi anni è stata condotta un'intensa ricerca sugli elettroliti allo stato solido e sono stati sviluppati materiali che hanno una conduttività ionica altrettanto elevata degli elettroliti liquidi. Ma l’obiettivo in mente era sempre chiaro. Le batterie con elettroliti solidi, come quelle in ceramica, raggiungono densità di energia e potenza enormemente più elevate rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio con elettrolita liquido e sarebbero anche ignifughe. "Le batterie allo stato solido rappresenterebbero un passo da gigante verso la mobilità elettrica a livello locale", sottolinea Daniel Rettenwander dell'Istituto di chimica e tecnologia dei materiali dell'Università tecnologica di Graz (TU Graz) in Austria.

Tuttavia, l'implementazione di elettroliti a stato solido di nuova concezione nelle batterie agli ioni di litio ha rivelato rapidamente un grosso problema, come descrive il ricercatore: "Sulle interfacce si formano elevate resistenze, che impediscono il rapido trasporto di ioni tra gli elettrodi e quindi portano a una perdita significativa delle prestazioni. Nella maggior parte dei casi, i colpevoli sono le interfacce tra l'elettrolita a stato solido e il materiale dell'elettrodo e tra le particelle dell'elettrolita stesso." Il nuovo laboratorio Christian Doppler (CD) per batterie a stato solido diretto da Rettenwander, inaugurato insieme al partner industriale AVL il 12 novembre 2020, mira a dare nuovo slancio agli ioni rallentati.

Per AVL, questo laboratorio CD è di grande importanza. "In qualità di sviluppatore di batterie per motori innovative, i risultati della ricerca sono estremamente preziosi per lo sviluppo di futuri moduli batteria basati sulla tecnologia delle batterie a stato solido", sottolinea Volker Hennige, capo del dipartimento batterie di AVL. AVL sostiene quindi il progetto di ricerca settennale insieme al settore pubblico. Il budget del laboratorio CD con sette dipendenti ammonta a circa due milioni di euro. La fonte di finanziamento pubblico più importante è il Ministero federale per gli affari digitali ed economici (BMDW).

La Dott.ssa Margarete Schramböck, Ministra federale per gli affari digitali ed economici, aggiunge: "La cooperazione tra economia e scienza è essenziale per trovare soluzioni sostenibili e fattibili a sfide complesse come la crisi climatica. In particolare per l'Austria come piazza economica, il trasferimento di conoscenze tra aziende e università ha un enorme potenziale per rimanere competitiva a livello internazionale attraverso la concreta implementazione dei risultati della ricerca da parte delle aziende. Sono quindi lieto che il Laboratorio Christian Doppler per le batterie allo stato solido condurrà nei prossimi sette anni un’intensa ricerca su questo tema dal punto di vista economico e argomento socialmente molto rilevante."

Il problema principale con le batterie allo stato solido sono le disomogeneità dei contatti sulle varie interfacce. A velocità di corrente molto elevate ciò porta a picchi di corrente locali, il che significa che gli ioni di litio non hanno più abbastanza tempo per distribuirsi uniformemente sull'interfaccia. Nel caso dell'interfaccia formata tra litio metallico ed elettroliti solidi, ciò porta alla formazione di strutture aghiformi, i cosiddetti dendriti, che crescono attraverso l'elettrolita e, nel peggiore dei casi, portano ad un cortocircuito e all'accensione di la batteria. La perdita di contatto dovuta alla variazione di volume del materiale catodico durante i processi di carica e scarica e la decomposizione elettrochimica dell'elettrolita allo stato solido con tensioni elevate delle celle a causa dell'instabilità termodinamica sono ulteriori motivi che attualmente ostacolano lo sviluppo di batterie allo stato solido.

Rettenwander e il suo team si concentrano su diversi approcci: "La distribuzione della densità di corrente sulle interfacce può essere omogeneizzata, ad esempio, introducendo strati intermedi con proprietà di trasporto del litio finemente sintonizzate. Inoltre, vogliamo testare metodi di carica alternativi come i metodi di carica a impulsi invece della corrente continua per ottenere una deposizione omogenea del litio."

Le batterie allo stato solido più leggere forniscono una maggiore densità di energia. Una combinazione di elettroliti ceramici e polimerici potrebbe essere utilizzata per ridurre il peso e allo stesso tempo compensare la perdita di contatto dovuta all'espansione del materiale del catodo durante la carica e la scarica. "Questo sarebbe il meglio di entrambi i mondi: l'elevata conduttività e stabilità termodinamica degli elettroliti ceramici combinati con le eccellenti proprietà meccaniche e la facile lavorabilità degli elettroliti a base polimerica. Tuttavia, questo a sua volta crea nuove interfacce, in particolare tra ceramica e polimero, che impedire il trasporto di ioni tra i componenti. Per un trasporto regolare degli ioni sono necessarie modifiche superficiali per migliorare il legame tra ceramica e polimero", spiega Daniel Rettenwander. Nello sviluppo di polimeri adatti e nella modifica delle superfici dei materiali ceramici, il laboratorio CD di Rettenwander collabora con il CD-Laboratory for Organocatalysis in Polymerization del collega della TU Graz Christian Slugovc e con il gruppo di lavoro del ricercatore della TU Graz Gregor Trimmel. Recentemente