Le batterie agli ioni di litio ricche di silicio promettono elevate densità energetiche per applicazioni nella mobilità elettrica, nell’aerospazio e nell’accumulo stazionario di energia. Tuttavia, il loro impiego industriale è stato finora limitato principalmente dalla loro ridotta vita utile (numero di cicli). Nell’ambito del progetto “StrOboBatt” (acronimo che sta per “Anodi in silicio e catodi ad alta energia con struttura e superficie ottimizzate per batterie agli ioni di litio ad alta densità energetica”), i ricercatori del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) sono riusciti a far funzionare celle a sacchetto (pouch cells) da 25 Ah, prodotte internamente e dotate di anodi ricchi di silicio, per oltre 1.000 cicli completi. Al termine, le celle hanno mantenuto oltre l’83% della loro capacità originale, con una densità energetica gravimetrica di 280 Wh/kg, pur trattandosi di un formato di cella di ricerca non ottimizzato. Si tratta di un passo importante verso l’impiego di anodi ricchi di silicio in batterie ad alta energia.
Lukas Dold, responsabile del team per la tecnologia dei materiali per batterie e il relativo scale-up presso il Fraunhofer ISE
La vita utile è uno dei principali ostacoli alla diffusione su scala industriale degli anodi ricchi di silicio. Superare i 1.000 cicli mantenendo almeno l’80% della capacità è considerato un traguardo prestazionale significativo. Con le nostre celle a sacchetto, siamo riusciti a raggiungere questo obiettivo, dimostrando al contempo una densità energetica gravimetrica di 280 Wh/kg a livello di cella, utilizzando il formato di ricerca ‘PrecISE’ sviluppato dal Fraunhofer ISE. In un formato ottimizzato per l’industria, si prevede di raggiungere una densità energetica gravimetrica di circa 330 Wh/kg.
Celle a sacchetto su scala industriale con anodi ricchi di silicio
Nel progetto “StrOboBatt”, il team ha realizzato celle multistrato (40 strati) con una capacità di 25 Ah. Sono stati utilizzati fogli di elettrodi disponibili in commercio, costituiti da un anodo in silicio-carbonio/grafite e un catodo a base di ossido di nichel-manganese-cobalto (ricco di nichel). Rispetto alla grafite, attualmente impiegata come materiale anodico, il silicio presenta una capacità specifica teorica dieci volte superiore. Se utilizzato in compositi silicio-carbonio strutturalmente ottimizzati, questo materiale può ridurre la dipendenza globale dalla grafite come materia prima. Ciò consentirebbe di spostare la creazione di valore – in particolare nell’estrazione delle materie prime – verso l’Unione Europea. Nelle celle di test, il composito silicio-carbonio ha costituito il 51% del materiale attivo dell’anodo. Tali anodi raggiungono una capacità specifica superiore a 1.000 mAh/g e una capacità specifica areica superiore a 5 mAh/cm².
Le celle a sacchetto (pouch cells) multistrato sono state realizzate su una linea di produzione semiautomatica all’interno della camera bianca del Centro per lo stoccaggio di energia elettrica (Center for Electrical Energy Storage) del Fraunhofer ISE. Esse coniugano elevate capacità degli elettrodi con un formato di cella standard a livello industriale e fungono da celle di riferimento nel progetto per la valutazione di nuovi materiali, configurazioni delle celle e condizioni operative.
Oltre alla vita utile (numero di cicli), i ricercatori hanno esaminato l’effetto della pressione meccanica sulle celle a sacchetto durante il funzionamento. A tal fine, le celle sono state sottoposte a cicli di carica e scarica (operazione a 1 C) nell’arco di un’ora, applicando due diverse pressioni di contatto assiali (rispettivamente 300 e 1.000 kPa). La pressione assiale esterna esercitata sulla cella comporta, tra l’altro, un miglioramento della resistenza all’interfaccia e riduce il rischio che i materiali degli elettrodi si distacchino l’uno dall’altro o dal substrato; un aspetto particolarmente rilevante per gli anodi contenenti silicio. Attraverso cicli di controllo periodici a correnti inferiori, è stato possibile valutare l’influenza della pressione sulla stabilità del ciclo di vita.
Marc Kissling, responsabile del gruppo per la produzione di celle a batteria e la valutazione tecnologica presso il Fraunhofer ISE
La pressione assiale ha un impatto significativo sul comportamento a lungo termine delle celle. Con una pressione di contatto di 1.000 kPa, le nostre celle mantengono oltre l’83% della loro capacità originale anche dopo più di 1.000 cicli completi. Con una pressione di contatto inferiore, pari a 300 kPa, si osserva un calo decisamente più marcato della capacità utilizzabile nel tempo, specialmente durante il funzionamento a 1 C. La pressione meccanica sulla cella rappresenta, pertanto, un parametro fondamentale per il funzionamento stabile delle celle a sacchetto ricche di silicio.
Allo stesso tempo, gli studi rivelano una crescente discrepanza tra la capacità residua determinata a un basso regime di scarica e la capacità disponibile durante il normale funzionamento a 1C. Ciò sottolinea che, nel valutare le celle ricche di silicio, è necessario tenere conto non solo della conservazione della capacità in sé, ma anche delle prestazioni in condizioni operative reali.
Dai materiali alle celle a sacchetto (pouch cells) su scala industriale
Presso il Fraunhofer ISE, è possibile studiare nuovi materiali per batterie lungo l’intera catena di processo: dalla fabbricazione degli elettrodi alla caratterizzazione elettrochimica di celle a sacchetto (pouch cells) di grande formato. L’infrastruttura esistente comprende, tra le altre fasi, la miscelazione dei lotti, il rivestimento con processo “roll-to-roll”, l’assemblaggio delle celle a sacchetto, nonché la formazione delle celle e la loro caratterizzazione elettrochimica.