Piccoli aggiustamenti per grandi cambiamenti – Le texture dei metalli morbidi rappresentano una svolta per le batterie?

Le batterie sono onnipresenti. La nostra era tecnologica moderna non può avanzare o prosperare senza batterie realizzate in modo efficace e efficienti. Le batterie sono presenti nei veicoli elettrici, nei dispositivi mobili, nello stoccaggio di energia rinnovabile e molto altro. 

Se osserviamo i numeri della crescita, il potenziale è esponenziale. Tra il 2022 e il 2030, la domanda globale di batterie al litio‑ionico, per esempio, dovrebbe aumentare quasi di sette volte, raggiungendo 4,7 terawattora nel 2030. Gli esperti di mercato attribuiscono una parte significativa di questa crescita alla popolarità in rapida ascesa dei veicoli elettrici, fortemente dipendenti dalle batterie al litio‑ionico. Nel 2024, i veicoli elettrici hanno rappresentato oltre l’80 % della domanda mondiale di batterie al litio‑ionico. 

Sostenere questa crescita straordinaria richiederebbe un aumento della produzione di batterie. E questo aumento della produzione può essere supportato solo dall’innovazione. La buona notizia è che i ricercatori di tutto il mondo ci stanno lavorando. Esplorano costantemente nuovi materiali, design, configurazioni e chimica. 

Tuttavia, è anche fondamentale verificare se queste esplorazioni ottimizzano le risorse disponibili. In tale scrutinio, i ricercatori hanno scoperto che la texture dei metalli è un aspetto che è stato storicamente trascurato. 

Mentre spiegavano la natura esatta di questa trascuratezza, UChicago PME Prof.ssa Shirley Meng, la Liew Family Professor in Molecular Engineering, ha dichiarato:

“Esiste una lacuna nella comprensione dell’orientamento dei grani, noto anche come texture, e di come tale fattore influisca sulle prestazioni delle batterie ricaricabili a metallo.”

La soluzione proviene dal Laboratorio per lo Stoccaggio e la Conversione di Energia di Meng e dal suo partner industriale, Thermo Fisher Scientific (TMO ). Più specificamente, proviene da un articolo scritto da Meng e dai suoi co‑ricercatori. L’articolo è intitolato “Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.”

Sperimentare verso una texture migliore per batterie migliori

Con il termine “texture”, i ricercatori si riferiscono all’orientamento dei grani che è orientato in una direzione particolare anziché in una distribuzione casuale. La diffrazione a reticolo elettronico con fascio di ioni focalizzato al plasma (PFIB‑EBSD) aiuta a caratterizzare la texture del metallo sotto varie condizioni di placcatura e stripping elettrochimico. 

Nello studio¹, i ricercatori hanno evidenziato la competizione tra energia superficiale ed energia di deformazione per la formazione della texture dei metalli alcalini. In particolare, hanno cercato di capire come la dominanza della diffusione atomica e dell’energia superficiale dei metalli alcalini sulla crescita selettiva dei grani durante i processi elettrochimici funzioni come chiave per spiegare le limitazioni cinetiche delle batterie allo stato solido con anodi metallici, soprattutto a temperatura ambiente. L’obiettivo finale di questa ricerca e delle intuizioni derivate era ottenere texture desiderabili tramite l’ingegneria dell’interfaccia per migliorare l’efficienza di placcatura/stripping a densità di corrente elevate.

I ricercatori hanno eseguito una serie di passaggi nella loro ricerca di capire quale potesse essere la texture perfetta per le batterie metalliche. Hanno caratterizzato la texture del metallo morbido sotto varie condizioni, hanno sviluppato una teoria termodinamica e un modello a campo di fase per la formazione della texture, hanno identificato texture desiderabili per migliorare l’efficienza di placcatura/stripping e, infine, hanno progettato uno strato interfaciale per una crescita dei grani desiderabile. 

Cosa ha realizzato la ricerca?

Secondo le parole di UChicago PME Research Assoc. Prof. Minghao Zhang, primo autore del nuovo lavoro, i ricercatori “hanno scoperto che aggiungere uno strato sottile di silicio tra il litio metallico e il collettore di corrente aiuta a creare la texture desiderata.”

I ricercatori hanno dedotto che “la modifica ha migliorato la capacità di scarica della batteria di quasi dieci volte nelle batterie a stato solido tutto‑solido che utilizzano litio metallico.”

Ma cosa ha portato i ricercatori a scoprire cosa fosse giusto e ottimale? 

I ricercatori hanno iniziato con il presupposto che la texture ideale per un anodo di batteria sarebbe stata quella in cui gli atomi potessero muoversi rapidamente lungo il piano superficiale, poiché un movimento più veloce aiutava le batterie a caricare e scaricare più rapidamente. Per modificare la texture, ciò che contava erano le differenze nell’energia superficiale del metallo morbido.

Secondo il Professor Minghao Zheng:

“Poiché le batterie con litio o sodio metallico dipendono da queste texture per una capacità di scarica favorevole, il team si è chiesto se modificare la texture dei metalli morbidi potesse migliorare le densità di potenza.”

Il raggiungimento dell’obiettivo dipendeva fortemente dall’uso efficace della tecnologia microscopica, che prevedeva la fresatura all’interno di un microscopio elettronico a scansione con fascio di ioni focalizzato al plasma (PFIB‑SEM) e mappatura della diffrazione a reticolo elettronico (EBSD). La combinazione efficiente di questi due metodi poteva aiutare a studiare la texture in modi nuovi. 

Mentre spiegava l’utilità della tecnologia del microscopio impiegata nella ricerca, il co‑autore dello studio Zhao Liu, Senior Market Development Manager di Thermo Fisher Scientific, ha dichiarato:

“La combinazione PFIB‑EBSD è ben adatta a questo studio, poiché il PFIB può accedere efficacemente all’area di interesse all’interno dello stack della cella, producendo una superficie di alta qualità con difetti minimi, mentre l’EBSD fornisce informazioni dettagliate sulla texture del metallo morbido.”

Oltre al suo partner industriale, i ricercatori hanno collaborato anche con il Frontier Research Laboratory di LG Energy Solution, con l’obiettivo di lavorare verso la commercializzazione della tecnologia. 

Secondo il Senior Researcher Jeong Beom Lee di LG Energy Solution, la ricerca aiuterà a sviluppare batterie di nuova generazione per veicoli elettrici e applicazioni di stoccaggio energetico. 

Cosa intendono fare i ricercatori in futuro?

Guardando al futuro, i ricercatori hanno due obiettivi chiari. Primo, vogliono ridurre la pressione utilizzata durante i test da 5 megapascal (MPa) a 1 MPa, lo standard industriale attuale per le batterie commerciali disponibili. Secondo, vogliono esaminare l’impatto della texture sul sodio, che, secondo le scoperte di Meng, ha il potenziale di emergere come alternativa economica e prontamente disponibile al litio. 

Altre ricerche sui materiali delle batterie al litio‑ionico

Mentre la ricerca attuale presenta una svolta, non sono rare iniziative di ricerca simili. Una revisione della ricerca condotta su tali batterie – pubblicata su Materials Today – ha evidenziato il fatto che, sebbene le batterie al litio‑ionico avessero chiari vantaggi di alta densità energetica, lunga durata di ciclo e alta efficienza, la ricerca continuava su nuovi materiali di elettrodo per spingere i limiti di costo, densità energetica, densità di potenza, durata di ciclo e sicurezza.

Mentre i ricercatori esaminavano le promettenti opzioni di materiale per anodi e catodi disponibili, hanno scoperto che molti di essi soffrivano di problemi di limitata conduttività elettrica, lento trasporto di Li, dissoluzione o altre interazioni sfavorevoli con l’elettrolita, bassa stabilità termica, elevata espansione volumetrica e fragilità. Le soluzioni disponibili a questi problemi coinvolgevano catodi ad intercalazione introdotti sul mercato. Tuttavia, la velocità con cui la tecnologia dei materiali di conversione raggiungeva la commercializzazione era lenta. 

Parlando di commercializzazione e di scalabilità, ora dovremmo passare a aziende che possono ottenere grandi risultati attraverso questa ricerca tecnologica di alto livello. 

1. Samsung

Ad agosto 2024, Samsung SDI della Corea del Sud ha concluso un accordo con General Motors (GM ) per costruire una fabbrica congiunta di batterie per veicoli elettrici nello stato americano dell’Indiana. Attraverso questo accordo, le due aziende hanno deciso di costruire congiuntamente uno stabilimento di produzione di celle per batterie con una capacità produttiva annua di 27 gigawattora. 

In precedenza, nel 2022, Samsung SDI Co., il sesto produttore mondiale di batterie, e l’azienda automobilistica multinazionale olandese Stellantis N.V (STLA ). avevano scelto lo stato dell’Indiana come sede per una fabbrica congiunta di batterie per veicoli elettrici negli Stati Uniti. 

Il produttore mirava a produrre 23 gigawattora (GWh) di celle e moduli batteria prismatici all’anno, secondo il piano per la prima metà del 2025 per le fabbriche automobilistiche di Stellantis in Nord America. 

Per quanto riguarda la produzione di batterie, Samsung SDI offre una gamma di soluzioni, tra cui veicoli elettrici, sistemi di accumulo energetico, micro‑mobilità, dispositivi di potenza e dispositivi IT. 

Per EV e PHEV, l’azienda produce batterie ad alta capacità, ad alta densità energetica e a ricarica rapida, con leadership nella produzione di massa di batterie allo stato solido. Per le soluzioni di accumulo energetico, Samsung SDI offre prodotti batteria che vanno dalle soluzioni domestiche a quelle per utility, commerciali e industriali integrate con fonti di energia rinnovabile fino a soluzioni di alimentazione ininterrotta (UPS).

Nella micro‑mobilità, Samsung SDI produce batterie per piccoli veicoli leggeri dell’ultimo miglio, come e‑kickboard, e‑bike e e‑scooter. In questo segmento, l’azienda sfrutta materiali e tecnologie di componenti di alto livello per realizzare le migliori batterie disponibili. 

Per le e‑bike, Samsung SDI produce batterie con alta densità energetica e sicurezza. Queste batterie sono più sottili e più leggere. 

Per i veicoli a due ruote elettrici – come e‑scooter e e‑motorcycle – Samsung SDI sviluppa batterie cilindriche. Queste batterie sono costruite con materiali ad alta capacità, design strutturali unici e qualità costante, rendendole sicure e adatte a prestazioni elevate, lunga durata e sicurezza. 

Per i dispositivi di potenza, Samsung SDI dispone di batterie ad alta potenza e alta capacità. Offre inoltre soluzioni ottimali OPE con alta densità energetica, output stabile e lunga durata. Produce anche batterie con capacità e output differenziati. Infine, Samsung SDI produce batterie ad alte prestazioni e lunga durata per dispositivi IT, inclusi smartphone e dispositivi indossabili. 

Alla fine di gennaio 2025, Samsung ha annunciato i risultati del quarto trimestre 2024 e dell’intero anno con un fatturato annuo di 16,59 trilioni di KRW (11,55 miliardi di $) e un utile operativo annuo di 363,3 miliardi di KRW nonostante il rallentamento del mercato. Nel quarto trimestre, il fatturato dell’azienda è stato di 3,75 trilioni di KRW, registrando un fatturato record nel business delle batterie ESS.

2. LG Energy Solutions

Nel dicembre 2024, LG Energy Solutions ha avviato trattative con JSW Energy (JSWENERGY.BO ) dell’India per produrre batterie per veicoli elettrici e per lo stoccaggio di energia rinnovabile in una joint venture che richiederebbe un investimento di oltre 1,5 miliardi di dollari. Secondo fonti pubbliche, le due aziende hanno firmato un accordo preliminare per formare una partnership pari, in cui LGES fornirà la tecnologia e le attrezzature per la produzione di batterie, mentre JSW investirà il capitale, ha dichiarato una delle fonti.

In generale, l’azienda è nota per le batterie Energy Storage Solution (ESS) e per le batterie automotive avanzate. La divisione ESS offre prodotti ad alta energia e alta potenza per le reti elettriche e per una varietà di prodotti domestici. Queste batterie sono prodotte con tecnologia di celle di prima classe derivata dall’applicazione di processi avanzati di laminazione e impilamento, una tecnologia proprietaria di LG.

Queste batterie offrono una produzione di energia uniforme, lunga durata e struttura stabile. Le batterie ESS di LG hanno anche una migliore efficienza spaziale grazie alle dimensioni compatte. Applicando celle di batteria polimeriche ultra‑sottili ad alta capacità nello sviluppo di ESS per rete e residenziali, l’azienda produce prodotti sottili che massimizzano l’utilizzo dello spazio e richiedono un’area di installazione minima. 

LG Energy Solutions è anche il principale fornitore di celle, moduli, BMS (Battery Management System) e prodotti pack per le batterie dei veicoli elettrici. Le soluzioni includono batterie ad alta densità energetica, leggere e a ricarica rapida.

Le varie dimensioni di queste batterie garantiscono la massimizzazione dello spazio risolvendo il problema della limitata disponibilità di spazio nei veicoli commerciali. Le celle a batteria di tipo pouch possono essere prodotte in varie lunghezze e larghezze e sono favorevoli per aumentare la capacità della batteria e consentire l’ottimizzazione. 

Nell’ultima settimana di gennaio 2025, LG Energy Solution ha annunciato i risultati del quarto trimestre e dell’intero anno. Per l’intero anno, l’azienda ha riportato un fatturato consolidato di 25,6 trilioni di KRW e un utile operativo di 575,4 miliardi di KRW, con una diminuzione anno su anno del 24,1 % e del 73,4 % rispettivamente. Il margine di profitto operativo è stato del 2,2 %, includendo l’effetto del credito fiscale IRA.

Il futuro delle batterie

Il futuro della tecnologia delle batterie e della gestione delle batterie cercherà miglioramenti in più aree. Mirerà a una maggiore energia specifica e densità energetica (più energia immagazzinata per volume/peso), una vita più lunga, minore infiammabilità, tempi di ricarica più brevi e una riduzione del costo livellato dell’energia (LOCE). 

I ricercatori hanno analizzato la traiettoria tecnologica delle batterie al litio‑ionico per il periodo 2019‑2030. Hanno menzionato quattro tipi probabili di configurazioni tecnologiche: litio‑ionico convenzionale, anodo Gr‑Si o catodo Hi‑Ni, batterie allo stato solido e litio‑zolfo/aria. I numeri suggeriscono che le nuove tecnologie batteriche supereranno il litio‑ionico convenzionale nel prossimo decennio. 

L’emergere di nuove tecnologie batteriche farà riconsiderare la scelta dei materiali per catodo e anodo. Per esempio, una batteria con catodo LFP ha una densità energetica inferiore rispetto a una con catodo NMC. La selezione del materiale del catodo è importante poiché influisce significativamente sull’energia specifica a livello di cella completa.

La scelta del materiale dell’anodo è altrettanto fondamentale. Il materiale dell’anodo, tipicamente grafite, fornisce spazio per gli ioni di litio quando la batteria è caricata. Il numero di ioni di litio immagazzinati è direttamente collegato a quanta energia elettrica viene immagazzinata.

I ricercatori vedono una transizione graduale nella tecnologia dei catodi, passando da una percentuale tipica di Ni del 50 % verso l’80 % e il 90 % rispettivamente per le batterie NMC e NCA. Per soddisfare le esigenze di capacità offerte dai catodi ad alta percentuale di Ni, l’aggiunta di una piccola quantità di ossidi di silicio o silicio puro nei catodi di grafite sta guadagnando popolarità tra i produttori di celle, secondo i rapporti.

Le cinque nuove tecnologie batteriche che si prevede ridefiniranno il futuro includono le batterie al litio‑tungsteno NanoBolt, le batterie a ossido di zinco‑manganese, le batterie a elettrolita organosiliconico, le batterie a elettrolita gel con nanofili d’oro e le batterie TankTwo String Cell™. 

Le batterie al litio‑tungsteno NanoBolt, ad esempio, si caricano più rapidamente e immagazzinano più energia. Le batterie a ossido di zinco‑manganese possono funzionare efficacemente come alternativa alle batterie al litio‑ionico e al piombo‑acido, soprattutto per lo stoccaggio di energia su larga scala a supporto delle reti elettriche nazionali. 

I professori di chimica dell’Università del Wisconsin‑Madison, Robert Hamers e Robert West, hanno sviluppato solventi liquidi organosiliconici (OS) che possono essere ingegnerizzati a livello molecolare per i mercati industriali, militari e consumer delle batterie al litio‑ionico.

Mentre sperimentavano con gel, meno infiammabili dei liquidi, i ricercatori dell’Università della California, Irvine, hanno tentato di rivestire nanofili d’oro con biossido di manganese e poi di coprirli con un gel elettrolitico.

Mentre i nanofili sono generalmente troppo delicati per l’uso nelle batterie, queste soluzioni sono diventate resilienti e l’elettrodo risultante, come hanno scoperto i ricercatori, ha superato 200 000 cicli senza perdere la capacità di mantenere una carica. Questo è confrontabile con i 6 000 cicli di una batteria convenzionale.

La batteria String Cell™ conteneva una collezione di piccole celle indipendenti auto‑organizzanti. Ogni string cell era costituita da un involucro plastico rivestito con un materiale conduttivo che le consentiva di formare rapidamente e facilmente contatti con le altre. Un’unità di elaborazione interna controllava le connessioni nella cella elettrochimica.

Per facilitare la ricarica rapida di un veicolo elettrico, le piccole sfere contenute nella batteria venivano aspirate e sostituite con celle ricaricate presso la stazione di servizio. Alla stazione, le celle potevano essere ricaricate durante le ore di bassa domanda.

Con tutte queste soluzioni a disposizione, diversi progressi rivoluzionari nelle batterie ci attendono in futuro.