L’urgente necessità di ridurre le emissioni di carbonio sta determinando un rapido passo verso l’elettrificazione dei trasporti e l’espansione della diffusione dell’energia solare ed eolica sulla rete. Se queste tendenze dovessero aumentare come previsto, si intensificherebbe la necessità di metodi migliori per immagazzinare l’energia elettrica.
Abbiamo bisogno di tutte le strategie possibili per affrontare la minaccia del cambiamento climatico, afferma la dott.ssa Elsa Olivetti, professoressa associata di scienza e ingegneria dei materiali presso Esther e Harold E. Edgerton. Chiaramente, lo sviluppo di tecnologie di archiviazione di massa basate sulla rete è cruciale. Ma per le applicazioni mobili, in particolare i trasporti, gran parte della ricerca è focalizzata sull'adattamento di oggibatterie agli ioni di litioper essere più sicuri, più piccoli e in grado di immagazzinare più energia per le loro dimensioni e peso.
Le batterie convenzionali agli ioni di litio continuano a migliorare, ma permangono i loro limiti, in parte dovuti alla loro struttura.Le batterie agli ioni di litio sono costituite da due elettrodi, uno positivo e uno negativo, inseriti in un liquido organico (contenente carbonio). Quando la batteria viene caricata e scaricata, le particelle di litio cariche (o ioni) passano da un elettrodo all'altro attraverso l'elettrolita liquido.
Un problema con questo progetto è che a determinati voltaggi e temperature, l'elettrolita liquido può diventare volatile e prendere fuoco. Le batterie sono generalmente sicure in condizioni di utilizzo normali, ma il rischio rimane, afferma il dottor Kevin Huang Ph.D.'15, ricercatore del gruppo Olivetti.
Un altro problema è che le batterie agli ioni di litio non sono adatte per l’uso nelle automobili. I pacchi batteria grandi e pesanti occupano spazio, aumentano il peso complessivo del veicolo e riducono l’efficienza del carburante. Ma si sta rivelando difficile rendere le attuali batterie agli ioni di litio più piccole e leggere mantenendo la loro densità energetica – la quantità di energia immagazzinata per grammo di peso.
Per risolvere questi problemi, i ricercatori stanno modificando le caratteristiche principali delle batterie agli ioni di litio per creare una versione completamente solida, o allo stato solido. Stanno sostituendo l'elettrolita liquido al centro con un elettrolita solido sottile che è stabile in un'ampia gamma di tensioni e temperature. Con questo elettrolita solido, hanno utilizzato un elettrodo positivo ad alta capacità e un elettrodo negativo al litio metallico ad alta capacità che era molto meno spesso del solito strato di carbonio poroso. Questi cambiamenti consentono una cella complessiva molto più piccola pur mantenendo la sua capacità di accumulo di energia, con conseguente maggiore densità di energia.
Queste caratteristiche: maggiore sicurezza e maggiore densità di energia- sono probabilmente i due vantaggi più comunemente pubblicizzati delle potenziali batterie allo stato solido, ma tutte queste cose sono lungimiranti e auspicate, e non necessariamente realizzabili. Tuttavia, questa possibilità spinge molti ricercatori a lottare per trovare i materiali e i progetti che manterranno questa promessa.
Pensare oltre il laboratorio
I ricercatori hanno escogitato una serie di scenari intriganti che sembrano promettenti in laboratorio. Ma Olivetti e Huang ritengono che, data l’urgenza della sfida del cambiamento climatico, potrebbero essere importanti ulteriori considerazioni pratiche. Noi ricercatori abbiamo sempre in laboratorio delle metriche per valutare possibili materiali e lavorazioni, dice Olivetti. Gli esempi potrebbero includere la capacità di accumulo dell’energia e le velocità di carica/scarica. Ma se l’obiettivo è l’implementazione, suggeriamo di aggiungere parametri che affrontino specificamente il potenziale di rapida scalabilità.
Materiali e disponibilità
Nel mondo degli elettroliti inorganici solidi, esistono due tipi principali di materiali: ossidi contenenti ossigeno e solfuri contenenti zolfo. Il tantalio è prodotto come sottoprodotto dell'estrazione di stagno e niobio. I dati storici mostrano che la produzione di tantalio è più vicina al massimo potenziale di quella del germanio durante l'estrazione di stagno e niobio. La disponibilità di tantalio è quindi una preoccupazione maggiore per il possibile aumento di scala delle celle basate su LLZO.
Tuttavia, conoscere la disponibilità di un elemento nel terreno non risolve i passaggi necessari per metterlo nelle mani dei produttori. I ricercatori hanno quindi indagato su una domanda successiva sulla catena di approvvigionamento degli elementi chiave: estrazione, lavorazione, raffinazione, trasporto, ecc. Supponendo che vi sia un’offerta abbondante, la catena di approvvigionamento per la fornitura di questi materiali può essere ampliata abbastanza rapidamente da soddisfare la crescente domanda? domanda di batterie?
In un’analisi campione, hanno esaminato quanto la catena di approvvigionamento di germanio e tantalio dovrebbe crescere anno dopo anno per fornire batterie per la flotta di veicoli elettrici prevista per il 2030. Ad esempio, una flotta di veicoli elettrici, spesso citata come obiettivo per il 2030, dovrebbe produrre batterie sufficienti per fornire un totale di 100 gigawattora di energia. Per raggiungere questo obiettivo, utilizzando solo batterie LGPS, la catena di approvvigionamento del germanio dovrebbe crescere del 50% anno su anno: una cifra esagerata, poiché in passato il tasso di crescita massimo è stato di circa il 7%. Utilizzando solo celle LLZO, la catena di approvvigionamento del tantalio dovrebbe crescere di circa il 30%, un tasso di crescita ben superiore al massimo storico di circa il 10%.
Questi esempi mostrano l’importanza di considerare la disponibilità del materiale e la catena di approvvigionamento quando si valuta il potenziale di aumento di scala di diversi elettroliti solidi, afferma Huang: Anche se la quantità di un materiale non è un problema, come nel caso del germanio, l’aumento di scala di tutti i passaggi della catena di fornitura per soddisfare la produzione dei futuri veicoli elettrici potrebbero richiedere un tasso di crescita praticamente senza precedenti.
Materiali e lavorazioni
Un altro fattore da considerare quando si valuta il potenziale di scalabilità del progetto di una batteria è la difficoltà del processo di produzione e l’impatto che potrebbe avere sui costi. Ci sono inevitabilmente molte fasi coinvolte nella produzione di una batteria a stato solido e il fallimento di una qualsiasi fase aumenta il costo di ciascuna cella prodotta con successo.
Come indicatore della difficoltà di produzione, Olivetti, Ceder e Huang hanno esplorato l’impatto del tasso di guasto sul costo totale di progetti di batterie a stato solido selezionati nel loro database. In un esempio, si sono concentrati sull'ossido LLZO. LLZO è molto fragile e i fogli grandi, abbastanza sottili da poter essere utilizzati in batterie allo stato solido ad alte prestazioni, rischiano di rompersi o deformarsi alle alte temperature coinvolte nel processo di produzione.
Per determinare le implicazioni sui costi di tali guasti, hanno simulato le quattro fasi di elaborazione chiave coinvolte nell'assemblaggio delle celle LLZO. Ad ogni passaggio, hanno calcolato il costo sulla base di una resa presunta, ovvero della percentuale di celle totali che sono state elaborate con successo senza errori. Per LLZO, la resa è stata molto inferiore rispetto agli altri progetti studiati; inoltre, al diminuire della resa, il costo per kilowattora (kWh) dell'energia cellulare è aumentato in modo significativo. Ad esempio, quando sono state aggiunte il 5% in più di celle nella fase finale di riscaldamento del catodo, il costo è aumentato di circa 30 dollari/kWh: un cambiamento trascurabile considerando che il costo target generalmente accettato per tali celle è di 100 dollari/kWh. Chiaramente, le difficoltà di produzione possono avere un profondo impatto sulla fattibilità dell’adozione su larga scala del progetto.
Orario di pubblicazione: 09-settembre-2022