Il lato "divertente" delle batterie allo stato solido

Le batterie allo stato solido (spesso chiamate SSB) sono di particolare interesse per il settore della mobilità grazie alla loro maggiore densità energetica. Il componente chiave di una batteria allo stato solido ad alte prestazioni è l'elettrolita allo stato solido, che assicura il trasporto controllato degli ioni di litio tra gli elettrodi della batteria durante la carica e la scarica. Tuttavia, l'uso di elettroliti allo stato solido comporta nuove sfide in termini di conduttività degli ioni, processabilità, riciclabilità e sostenibilità. Inoltre, l'interfaccia tra il materiale attivo - che immagazzina ioni - degli elettrodi della batteria e l'elettrolita solido deve essere attentamente controllata.

La combinazione di elettroliti polimerici e inorganici è un approccio promettente per superare queste sfide. Tuttavia, questi elettroliti non possono essere prodotti semplicemente mescolando polimeri e componenti inorganici. La sfida di combinare polimeri e materiali inorganici non è solo la compatibilità tra tutti i componenti, ma anche garantire un buon trasporto del litio tra le diverse fasi dell'elettrolita. La combinazione di design dell'interfaccia e rivestimento deve migliorare il trasporto del litio tra le fasi e allo stesso tempo proteggere l'elettrolita solfuro sensibile all'umidità. I componenti devono essere appositamente studiati per consentire un trasporto efficiente degli ioni di litio attraverso l'elettrolita solido nel suo complesso.

Il design dei materiali e le modifiche della superficie creano nuove possibilità

Il progetto FUNCY-SSB (FUNctional Coatings of sulfide electrolYtes for lithium Solid-State Batteries) si concentra sullo sviluppo di elettroliti a stato solido sostenibili con migliori prestazioni elettrochimiche per affrontare queste sfide chiave. Per produrre gli elettroliti si utilizzano rivestimenti superficiali funzionali, combinando elettroliti di solfuro con vari polimeri. I rivestimenti inorganici prodotti mediante deposizione atomica sono progettati per ottimizzare il trasporto degli ioni di litio attraverso il polimero nell'elettrolita di solfuro. L'obiettivo è quello di sviluppare elettroliti allo stato solido con un'elevata conducibilità ionica, una migliore stabilità all'umidità e un'estesa finestra di stabilità elettrochimica grazie a un rivestimento superficiale funzionale. Questo non solo migliorerà la stabilità, ma aumenterà anche la durata e la densità energetica delle batterie.

Attualmente ci sono pochi dati sulla riciclabilità degli elettroliti allo stato solido e sulla sostenibilità della loro produzione. Questi aspetti sono spesso considerati solo a posteriori, invece di essere valutati e affrontati durante la fase di sviluppo del materiale. Nell'ambito del progetto attuale, gli studi sul riciclaggio e le analisi del potenziale economico ed ecologico sono già in corso durante il processo di sviluppo dei materiali, al fine di ottimizzare gli elettroliti allo stato solido per quanto riguarda la riciclabilità e la produzione sostenibile. Il potenziale produttivo dei materiali viene valutato in collaborazione con i partner industriali. Inoltre, FUNCY-SSB utilizzerà le tecnologie semantiche per digitalizzare i processi di sintesi e produzione dei materiali e dei componenti delle batterie, al fine di migliorare l'interoperabilità, accelerare il processo di sviluppo e ridurre il rischio di errori.

Un obiettivo chiaro in vista

"Alla fine di FUNCY-SSB, vogliamo dimostrare un concetto di elettrolita allo stato solido che porti a un miglioramento delle prestazioni e della sostenibilità delle batterie. Inoltre, il nostro approccio alla progettazione dei materiali, che tiene conto della riciclabilità e della sostenibilità durante lo sviluppo, può servire da modello per la progettazione di altri elettroliti allo stato solido", riassume la dott.ssa Guinevere Giffin, coordinatrice del progetto e direttrice scientifica del Fraunhofer Research Center for Electromobility presso il Fraunhofer ISC. Un proof-of-concept per il nuovo materiale è stato prodotto sotto forma di prototipi di celle a sacchetto che richiedono una pressione esterna ridotta durante l'uso. Questi dimostreranno la fattibilità dell'approccio FUNCY-SSB alla progettazione dei materiali. Questo progetto promuoverà la disponibilità di materiali e componenti per batterie a prova di futuro con proprietà personalizzate. Lo sviluppo e la comprensione fondamentale di materiali elettrolitici avanzati e sostenibili per le batterie di prossima generazione migliorerà la competitività nazionale ed europea nel campo della ricerca e dello sviluppo delle batterie.