Pietre miliari per la ricerca su batterie ed energia

Cambiamento climatico, aumento di CO2 da un lato e crescita della popolazione mondiale con risorse sempre più scarse dall'altro alimentano la discussione sulla fuoriuscita dal carbone e sulla sostituzione dei combustibili fossili. La transizione energetica, richiesta ovunque, suscita grandi aspettative e comporta sfide ancora maggiori. Pacchetti di misure per la tutela del clima e vari programmi per la riduzione delle emissioni di CO2 sono richiesti e sviluppati da scienza, industria e politica. Tecnologie future come la produzione di energia alternativa e i nuovi concetti di accumulo energetico, nonché i materiali necessari, sono condizioni essenziali per il successo della transizione energetica. Grande attenzione è rivolta alla ricerca sulle batterie e l'e-mobility è considerata il portabandiera di questa speranza. La corsa contro il tempo e le migliori soluzioni è iniziata.

Tecnologie future

Attualmente e nel prossimo futuro, le batterie al litio sono ancora i principali protagonisti nelle forniture di energia mobile e fissa. Solo grazie a loro l'e-mobility è diventata possibile e praticabile. Tuttavia, considerando la scarsità di risorse, sono urgentemente necessarie alternative. Poiché lo sviluppo di sistemi di batterie ad alte prestazioni si rivela estremamente complesso, richiede strategie di ricerca interdisciplinari e reti tra scienza e industria.

Batterie di prossima generazione

Lo sviluppo di sistemi di accumulo energetico sostenibili e rispettosi dell'ambiente rappresenta una delle grandi sfide della transizione energetica. Le compatte batterie al litio-ione, finora molto efficaci, grazie alla loro eccellente densità energetica e di potenza, hanno un grande potenziale di mercato, ma la loro produzione, in termini di energia e di domanda crescente di materie prime preziose e sempre più scarse come litio e cobalto, è diventata estremamente costosa e problematica. Perciò si richiede sempre più un'alternativa più efficiente dal punto di vista energetico, più potente, più economica e più ecologica. Le batterie a ioni di sodio potrebbero offrire soluzioni adeguate in futuro.

La ricerca è molto intensa. "Questa direzione di ricerca sta vivendo un boom tumultuoso. In Germania, la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ha istituito un programma di priorità ad aprile (12,6 milioni di euro, durata 6 anni) e l'UE un network di formazione (ITN, 4 milioni di euro, durata 4 anni) – entrambi programmi che posso coordinare", comunica il professor Dr. S. Ulrich Schubert dal "Centro per l'energia e la chimica ambientale" (Center for Energy and Environmental Chemistry Jena – CEEC Jena) dell'Università Friedrich Schiller di Jena. "L'interesse e gli investimenti di Evonik Industries AG mostrano chiaramente il potenziale economico. E ci sono ancora un interesse estremamente forte dalla Cina e dal Giappone."

Il Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF) finanzia anche il progetto congiunto "Transition" per un accumulo energetico più sostenibile con 1,15 milioni di euro. Partecipano al progetto l'Istituto Helmholtz di Ulm (HIU), fondato dal Karlsruhe Institute of Technology (KIT), il Centro per l'energia solare e la ricerca sull'idrogeno del Baden-Württemberg (ZSW) e ancora l'Università Friedrich Schiller di Jena (FSU). L'obiettivo è sviluppare un'alternativa alle tradizionali batterie al litio-ione. Anche in questo progetto i ricercatori studiano materiali attivi e elettroliti adatti per le batterie a ioni di sodio di prossima generazione.

"Le batterie a base di polimeri, cioè batterie che utilizzano polimeri come materiali attivi per l'immagazzinamento di energia elettrica, sono oggetto di studi intensivi dal 2011 nel mio gruppo di lavoro", osserva il professor Schubert. "Per la prima volta siamo riusciti a presentare una batteria sottile prodotta tramite stampa a getto d'inchiostro. Abbiamo anche brevettato e pubblicato diversi nuovi materiali attivi. La Evonik Industries AG sta attualmente commercializzando questi nuovi polimeri come inchiostri stampabili (sotto il marchio 'TAeTTOOz')."

Le batterie innovative devono essere sostenibili e rispettose dell'ambiente, economiche e anche ad alte prestazioni. Lo sviluppo di nuovi accumulatori senza metalli e stampabili a base di polimeri apre prospettive promettenti in ambito sanitario, sensoriale e per l'Internet delle cose. "Ciò riguarda soprattutto le batterie sottili stampabili. Dai tag RFIT attivi a 'cerotti' per la trasmissione di funzioni sanitarie fino all'abbigliamento intelligente", aggiunge il professor Dr. Ulrich Schubert.

Efficacia energetica e alte prestazioni

Le batterie devono dimostrare le proprie capacità anche nelle condizioni più difficili. Allo stesso tempo, devono essere escluse potenziali minacce e rischi in caso di uso improprio o danneggiamento, durante tutto il ciclo di vita. In particolare, nel dibattito sulla mobilità elettrica, si pone l'accento sulla durabilità a lungo termine delle celle di batteria.

Le nuove batterie a base di plastica offrono numerosi vantaggi rispetto alle tradizionali batterie al litio-ione. La produzione di tali batterie è molto più efficiente dal punto di vista energetico grazie ai materiali organici e polimerici utilizzati. I polimeri come materiali attivi richiedono un'impronta di CO2 molto inferiore durante la produzione. Inoltre, sono generalmente meno tossici e infiammabili. Queste batterie possono essere lavorate tramite tecniche di stampa (stampa a maglia, stampa a getto d'inchiostro, stampa roll-to-roll).

Lo stesso vale per il loro impiego. Anche lo smaltimento e il riciclo risultano più ecologici e molto più economici. Le batterie con polimeri come materiali attivi sono anche più sostenibili, poiché si può evitare l'uso di metalli pesanti. Il prototipo di batteria a ioni di sodio, come quello del progetto "Transition", ha un'anodo in carbonio duro a base di biomassa, combinato con leganti acquosi e alluminio come collettore di corrente, mentre il catodo è costituito da ossidi di metalli di transizione. Migliorare le relazioni tra le proprietà strutturali e le caratteristiche è alla base di reazioni elettrochimiche controllate.

Mobilità elettrica

Nel breve e medio termine, le batterie al litio-ione sono il motore principale di ogni forma di mobilità elettrica, grazie alle loro capacità e densità energetica. Garantisco durata operativa e autonomia, a seconda di condizioni esterne come ambienti di utilizzo, temperature e stile di guida. Nel prossimo futuro, le batterie a ioni di sodio non sostituiranno quelle al litio-ione, ma, secondo gli esperti, le integreranno. Nel campo della mobilità elettrica, si riconosce anche un potenziale nell'uso della tecnologia idrica, rispettando vari aspetti di sicurezza.

Analisi e caratterizzazione

Ogni risultato di ricerca e sviluppo è tanto più valido quanto più è accompagnato da analisi di processo. Per questo, metodi analitici moderni per la determinazione degli elettroliti e l'identificazione di tracce di sostanze, materie prime e componenti dei materiali sono oggi indispensabili nella ricerca sulle batterie. Le più recenti tecnologie di strumentazione per tali misurazioni e controlli dei materiali sono ampiamente rappresentate all'analitica di Monaco. Gli esperti presentano alla fiera internazionale analitica le più recenti tecnologie e metodologie di cromatografia, spettrometria, microscopia, analisi di superficie e analisi ionica. Nel live lab di analisi dei polimeri si sperimentano in tempo reale. Qui, gli interessati hanno l'opportunità di vivere in un laboratorio reale le innovazioni nei settori dell'analisi di materiali e polimeri.

Dal 30 marzo al 3 aprile, la comunità scientifica si informa all'analitica di Monaco sulle principali novità del settore. La competenza degli esperti e le tecnologie analitiche innovative rappresentano un enorme valore aggiunto per la ricerca di nuovi sistemi di batterie. A Monaco, le tecnologie chiave consentono uno sguardo sul futuro.