La stampa 3D è il futuro del design delle batterie?

Batterie Getty

Una delle tecnologie abilitanti del nostro stile di vita del 21° secolo è la batteria agli ioni di litio. Questi pacchetti energetici rendono possibili telefoni cellulari e auto elettriche, laptop e dispositivi sanitari, robot e sensori telecomandati e molto altro ancora. Forse non sorprende che all'inizio di quest'anno i loro sviluppatori abbiano ricevuto il Premio Nobel per la chimica.

Ma gli scienziati dei materiali hanno un disperato bisogno di batterie migliori per l'Internet delle cose, per la prossima generazione di dispositivi personali e molto altro ancora. Le batterie migliori saranno anche chiamate a svolgere un ruolo importante nell'immagazzinare l'energia da fonti rinnovabili, ma incostanti, come il vento e il sole.

Le prestazioni della batteria sono il risultato di numerosi fattori diversi. La densità di energia è cruciale; così è la capacità di mantenere la carica senza che fuoriesca. Poi c'è la ricarica - non solo una volta ma migliaia o decine di migliaia di volte - e, naturalmente, la sicurezza.

Gli elettrochimici sanno fin troppo bene quanto sia delicato questo atto di equilibrio. Di conseguenza, i produttori di batterie sono cauti nel provare nuovi approcci, per timore che un aspetto delle prestazioni diminuisca. Quindi i miglioramenti sono solitamente incrementali e piccoli. Da dove potrebbero derivare i grandi miglioramenti di cui abbiamo bisogno?

Oggi riceviamo una sorta di risposta: le batterie del futuro saranno realizzate tramite la stampa 3D, affermano Vladimir Egorov dell'Università di Cork in Irlanda e alcuni colleghi. Queste persone hanno esaminato le varie nuove tecniche di stampa per le batterie e suggeriscono che ciò renderà possibile una nuova generazione di dispositivi più piccoli e più capaci.

Prima un po' di background. La stampa 3D è il termine generico per una varietà di tecniche che consentono di costruire oggetti tridimensionali aggiungendo materiale strato dopo strato. Può essere un modo per realizzare prototipi da testare, per non parlare di prodotti alimentari esotici, parti del corpo di ricambio e persino interi edifici. L'utilizzo di molte macchine da stampa in parallelo consente la produzione in serie di articoli come parti di automobili e aerei e scarpe. E quando è disponibile un nuovo design, può essere stampato rapidamente, con una riconfigurazione minima dello spazio di fabbrica.

Gli scienziati dei materiali hanno anche iniziato a sperimentare modi per stampare circuiti elettronici utilizzando inchiostri polimerici e un polimero d'argento per le tracce, quindi la saldatura non è più necessaria. In questo modo, i circuiti stampati possono assumere più o meno qualsiasi forma e persino far parte della struttura di un dispositivo.

Tuttavia, una limitazione significativa è la necessità di incorporare batterie convenzionali, disponibili in dimensioni e forme specifiche.

La possibilità di stampare batterie 3D cambierà le cose. Se possono essere stampati per integrarsi perfettamente nel design del prodotto, per ragioni estetiche e di comfort o funzionali, la batteria standard più voluminosa e fissa non deve essere adattata in fase di progettazione del prodotto, affermano Egorov e co.

Questo è più facile a dirsi che a farsi. I materiali elettroattivi utilizzati nelle batterie sono intrinsecamente reattivi e strutture come anodi e catodi sono fisicamente complesse. Spesso devono essere ordinati come cristalli e talvolta porosi come spugne molecolari. Devono sempre essere chimicamente ben caratterizzati.

È difficile creare versioni di questi materiali adatte alla stampa 3D, sia mediante l'estrusione di un solido o di un liquido, sia mediante la polimerizzazione di un liquido. Una volta stampati, questi materiali devono mantenere le loro interconnessioni elettriche, controllare rigorosamente le reazioni chimiche che si verificano tra i componenti e garantire che le batterie possano caricarsi e scaricarsi per molti cicli.

Soprattutto, le batterie devono essere sicure. Tutte le batterie devono superare severi standard di sicurezza prima di poter essere utilizzate nelle case, nei veicoli, sugli aeroplani e così via. Le batterie che perdono possono causare danni costosi. Ma il rischio più grave è l'incendio. È possibile che i criteri di test debbano cambiare per consentire nuovi design che cambiano costantemente.

E anche se tutte queste sfide possono essere superate, un'altra domanda incombe. Le batterie 3D saranno più capaci dei progetti esistenti?

Egorov e co forniscono una panoramica completa dei materiali, dei metodi e delle sfide che l'industria delle batterie deve affrontare nella stampa dei power pack del futuro. Ma ai revisori manca un elemento importante della futura progettazione della batteria in cui la stampa 3D potrebbe avere un ruolo importante da svolgere.

Una delle sfide più grandi e importanti per l'industria delle batterie è rendere i propri prodotti riciclabili. Le batterie di oggi sono progettate specificamente in modo che non possano essere smontate facilmente, quindi riutilizzare i materiali preziosi che contengono è quasi impossibile.

Ciò non va bene per una tecnologia che dovrà svolgere un ruolo centrale nella transizione della società dai combustibili fossili alle energie rinnovabili.

Quindi il cambiamento è molto necessario. L'idea attuale è che le batterie debbano essere progettate fin dall'inizio pensando al riciclaggio e che ciò richiederà una mentalità completamente nuova da parte dei progettisti di batterie. La flessibilità che consente la stampa 3D ha il potenziale per dare il via e accelerare questa rivoluzione tanto necessaria.

Sebbene Egerov e colleghi ignorino questo problema (il termine riciclaggio non compare nel loro articolo), il resto dell'industria delle batterie non può permetterselo.

Rif: arxiv.org/abs/1912.04400 : Evoluzione dei metodi e dei materiali di stampa 3D per l'accumulo di energia elettrochimica

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