Batterie al litio su misura: elettroliti gel stampati in 3D per celle adattabili alla forma dei dispositivi
La stampa 3D entra nel settore delle batterie non solo per realizzare contenitori, supporti o parti strutturali, ma anche per costruire componenti interni della cella. Uno degli elementi più delicati è l’elettrolita, cioè il materiale che permette agli ioni di muoversi tra gli elettrodi durante carica e scarica. Se questo componente può essere stampato in geometrie controllate, la batteria non deve più essere pensata solo come un cilindro, una pouch cell o un blocco standard: può diventare parte della forma del dispositivo.
Su questo tema lavora un gruppo di ricerca della University of Texas at El Paso, indicata come UTEP, insieme ai Sandia National Laboratories. Lo studio è stato pubblicato il 5 maggio 2026 su Communications Engineering, rivista del gruppo Nature, con il titolo “Vat photopolymerization of gel polymer electrolytes with solvent-dependent performance and complex geometries for Li-ion batteries”. Gli autori indicati sono Alexis Maurel, Katherine R. Gonzalez, Hugo A. Garcia, Laura C. Merrill e Ana C. Martinez.
Non una batteria commerciale, ma un componente chiave
Il lavoro non descrive una batteria pronta per il mercato. Il punto centrale è un materiale: un elettrolita polimerico gel, o GPE, formulato per essere lavorato tramite vat photopolymerization, la famiglia di processi a resina che comprende tecnologie come stereolitografia e DLP. In questo caso la luce UV serve a solidificare una matrice polimerica che contiene anche l’elettrolita liquido necessario al trasporto degli ioni litio.
La scelta è interessante perché collega due esigenze spesso difficili da conciliare. Da un lato serve un materiale che si possa stampare con precisione e che mantenga la forma dopo la polimerizzazione. Dall’altro serve un elettrolita che conduca bene gli ioni e resti stabile dal punto di vista elettrochimico. Se una resina stampa bene ma blocca il trasporto ionico, non serve a una batteria. Se un gel conduce bene ma non mantiene la geometria, non è adatto alla produzione additiva.
Come è formulato l’elettrolita gel
Il materiale studiato dal team UTEP-Sandia parte da una resina UV a base di PEGDA, cioè polietilenglicole diacrilato. Questa matrice viene combinata con un elettrolita liquido composto da 1 M LiClO₄, quindi perclorato di litio, in due diverse miscele di solventi: EC:DEC e EC:PC, entrambe in rapporto 1:1 in volume. EC indica carbonato di etilene, DEC carbonato di dietile e PC carbonato di propilene.
Il rapporto tra resina ed elettrolita non è un dettaglio secondario. Troppa resina può rendere il materiale più facile da stampare, ma ridurre la conducibilità ionica. Troppo elettrolita liquido può migliorare il trasporto degli ioni, ma rendere la formulazione instabile o difficile da polimerizzare. Nello studio, il miglior compromesso tra lavorabilità e prestazioni è stato individuato nel rapporto 1:4 in volume tra resina ed elettrolita.
Perché la stampa 3D può essere utile nelle batterie
Nelle batterie tradizionali, molti componenti vengono prodotti in strati piani. È un metodo efficiente e adatto alla produzione di massa, ma limita la libertà di forma. La stampa 3D permette invece di ragionare su strutture più complesse, con spessori variabili, geometrie tridimensionali e integrazione diretta dentro dispositivi elettronici, sensori, sistemi indossabili o componenti strutturali.
Nel caso degli elettroliti, la possibilità di stampare geometrie complesse apre la strada a celle shape-conformable, cioè adattabili alla forma dell’oggetto che devono alimentare. Questo non significa piegare una batteria commerciale dentro un dispositivo, ma progettare la batteria insieme al dispositivo. UTEP lavora da tempo su questa direzione attraverso l’Estrella Lab, un laboratorio che unisce ricerca su accumulo energetico e stampa 3D dell’elettronica. L’università descrive il gruppo guidato da Alexis Maurel e Ana C. Martinez come focalizzato su batterie stampate in 3D e sistemi di accumulo più adattabili alle esigenze reali.
Le prestazioni misurate
I valori riportati nello studio sono rilevanti perché mostrano che il processo di stampa non annulla le proprietà elettrochimiche del materiale. Gli elettroliti gel stampati in 3D hanno raggiunto conducibilità ioniche fino a 3,4 × 10⁻³ S/cm per la formulazione basata su DEC e 3,1 × 10⁻³ S/cm per la formulazione basata su PC. Sono valori vicini a quelli ottenuti con campioni equivalenti preparati tramite tape casting, una tecnica più tradizionale per ottenere film sottili.
Anche la stabilità elettrochimica è un dato importante. Gli elettroliti hanno mantenuto stabilità fino a circa 4,5 V rispetto a Li⁰/Li⁺. Nei test con celle simmetriche al litio, il materiale ha sostenuto processi di plating e stripping per oltre 100 cicli. In termini semplici, il litio è stato depositato e rimosso ripetutamente senza che il comportamento del sistema crollasse nei primi cicli di prova.
Il dettaglio dell’atmosfera ambiente
Un aspetto pratico dello studio riguarda le condizioni di stampa. I ricercatori hanno osservato che i GPE mantengono le prestazioni anche quando la stampa viene eseguita in aria ambiente. Per un materiale destinato alla produzione, questo punto conta molto. Molti processi per batterie sono sensibili all’umidità, all’ossigeno o a condizioni ambientali non controllate, e richiedono glove box o ambienti speciali.
Questo non vuol dire che la produzione industriale possa ignorare il controllo dell’ambiente. Le batterie al litio restano sistemi sensibili e la gestione dell’umidità resta un tema critico. Però il fatto che il materiale stampato mantenga prestazioni elettrochimiche dopo un processo in condizioni meno protette indica una certa robustezza della formulazione e del metodo.
Forme complesse, non solo dischi da laboratorio
Il valore della ricerca non sta soltanto nei numeri di conducibilità. I campioni di laboratorio servono a misurare il comportamento del materiale, ma la manifattura additiva è interessante quando permette forme che i processi convenzionali non gestiscono bene. Lo studio sottolinea che gli elettroliti gel possono essere stampati in geometrie complesse, rafforzando l’idea di usarli in architetture di batteria più avanzate.
In un’applicazione reale, questa possibilità potrebbe servire per batterie integrate in oggetti curvi, sensori distribuiti, elettronica indossabile, dispositivi medicali, componenti aerospaziali o sistemi robotici dove ogni millimetro di volume conta. La batteria non sarebbe più un modulo da aggiungere, ma una parte progettata attorno allo spazio disponibile.
UTEP, Sandia e le organizzazioni coinvolte
La ricerca coinvolge la University of Texas at El Paso e i Sandia National Laboratories. Le affiliazioni degli autori indicano il Metallurgy, Materials and Biomedical Engineering Department e il Department of Aerospace and Mechanical Engineering di UTEP, oltre ai Sandia National Laboratories ad Albuquerque.
Nel lavoro viene indicato anche il supporto dell’ESTRELLA Group e dell’Interdisciplinary Research Building di UTEP. La parte collegata a Sandia è stata sostenuta dai programmi Laboratory-Directed Research and Development, noti come LDRD. Sandia è un laboratorio multi-missione gestito da National Technology and Engineering Solutions of Sandia, LLC, società interamente controllata da Honeywell International Inc., per la National Nuclear Security Administration del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
In questo caso non si parla quindi di un lancio aziendale o di un prodotto commerciale, ma di una collaborazione di ricerca tra università e laboratorio nazionale, con una struttura gestionale che coinvolge anche un soggetto industriale attraverso Sandia.
Un percorso che UTEP porta avanti da anni
Il lavoro sugli elettroliti gel per celle al litio si inserisce in un programma più ampio. UTEP descrive l’Estrella Lab come un ambiente in cui Alexis Maurel e Ana C. Martinez lavorano su batterie stampate in 3D, materiali energetici e formazione di nuovi ingegneri. Maurel ha studiato batterie agli ioni di litio stampate in 3D durante il dottorato in Francia, mentre Martinez ha portato competenze in elettrochimica e materiali per accumulo di energia.
L’università cita anche un progetto finanziato dalla NASA per sviluppare batterie sodio-ione stampabili in 3D usando risorse presenti su Luna e Marte. In quel progetto vengono combinati processi di material extrusion e vat photopolymerization per produrre batterie shape-conformable, cioè pensate per ridurre volume inutilizzato e migliorare l’integrazione nei sistemi.
Questo contesto aiuta a leggere lo studio sugli elettroliti gel. Non è un esperimento isolato, ma un tassello di una linea di ricerca che punta a costruire componenti di batteria tramite processi additivi diversi: elettroliti, elettrodi, collettori, guarnizioni e parti strutturali.
Perché il gel può essere un compromesso interessante
Le batterie completamente allo stato solido sono considerate una delle direzioni più importanti per migliorare sicurezza e densità energetica, ma hanno problemi complessi di interfaccia, produzione e conducibilità. Gli elettroliti liquidi, invece, conducono bene gli ioni ma pongono problemi di infiammabilità, perdita di liquido e compatibilità con architetture non convenzionali.
Un elettrolita polimerico gel si colloca a metà strada. Contiene una fase liquida che favorisce il trasporto degli ioni, ma è intrappolato in una rete polimerica che gli dà forma e stabilità. Per questo può essere utile nelle celle quasi-solide, dove si cerca di combinare parte dei vantaggi degli elettroliti liquidi con una maggiore libertà progettuale.
La difficoltà è ottenere un materiale che non perda troppo in conducibilità durante la polimerizzazione. La rete polimerica deve essere abbastanza solida da mantenere la forma, ma non così densa da impedire il movimento degli ioni litio. Il rapporto 1:4 tra resina ed elettrolita individuato dal gruppo UTEP-Sandia va proprio in questa direzione.
Cosa cambia rispetto alla semplice stampa di un contenitore
Nel settore della stampa 3D applicata alle batterie si vedono spesso supporti, alloggiamenti, distanziatori, guarnizioni o involucri. Sono componenti utili, ma esterni alla chimica della cella. Qui invece la stampa entra nel materiale che partecipa al funzionamento elettrochimico.
Questo passaggio è più difficile, perché ogni materiale stampato deve rispettare vincoli multipli: deve essere stampabile, stabile, compatibile con litio ed elettrodi, sufficientemente conduttivo per gli ioni, meccanicamente integro e ripetibile. UTEP indica, nel profilo di Ana C. Martinez, diverse pubblicazioni collegate a separatori, guarnizioni polimeriche, elettroliti PEGDA/LiClO₄, collettori di corrente in rame e batterie strutturali. Il profilo la descrive come ricercatrice specializzata in materiali per accumulo e conversione di energia.
Applicazioni possibili: sensori, wearable, spazio e dispositivi compatti
Le applicazioni più immediate non sono necessariamente le auto elettriche. Per quelle servono processi ad altissimo volume, costi controllati e una qualifica industriale molto severa. Gli elettroliti gel stampati in 3D potrebbero trovare prima spazio in dispositivi dove la libertà di forma vale più della produzione di massa.
Un esempio è l’elettronica indossabile: sensori integrati in superfici curve, dispositivi medicali, bracciali intelligenti o moduli di monitoraggio che devono essere sottili, leggeri e conformabili. Un altro ambito è la robotica compatta, dove batterie e struttura possono essere progettate insieme. Anche il settore aerospaziale guarda a questi concetti, perché ridurre peso morto e volume inutilizzato è sempre un vantaggio. UTEP collega il proprio lavoro sulle batterie stampate anche a scenari spaziali, compresa la produzione di sistemi energetici per missioni lunari e marziane.
I limiti da tenere presenti
Il risultato è promettente dal punto di vista scientifico, ma non va confuso con una tecnologia pronta per finire in una linea produttiva. La ricerca dimostra che il materiale può essere stampato, che mantiene conducibilità ionica e che supera alcuni test elettrochimici di base. Restano però molte domande: durata su centinaia o migliaia di cicli, comportamento in celle complete, compatibilità con catodi e anodi diversi, resistenza meccanica nel tempo, stabilità termica, sigillatura, sicurezza e scalabilità.
C’è poi il tema della risoluzione e della velocità. La vat photopolymerization è precisa, ma la produzione di batterie su larga scala richiede tempi, costi e controlli adatti all’industria. Una cosa è stampare un componente dimostrativo; un’altra è produrre milioni di celle identiche con prestazioni certificate.
Un passo verso batterie progettate intorno all’oggetto
Lo studio di UTEP e Sandia è interessante perché affronta uno dei nodi della batteria stampata in 3D: non basta dare forma alla scatola esterna, bisogna rendere stampabili anche i materiali attivi e funzionali. Gli elettroliti gel PEGDA/LiClO₄ mostrano che un componente elettrochimico può essere formulato per la stampa a resina senza perdere le proprietà essenziali di conduzione ionica.
La strada verso una batteria completamente stampata, affidabile e producibile su scala resta lunga. Però questo tipo di ricerca sposta il discorso dalla semplice prototipazione alla progettazione dei materiali. Se elettrodi, elettroliti, separatori, collettori e guarnizioni potranno essere realizzati con processi additivi compatibili tra loro, le batterie potranno essere pensate in modo più libero: non solo più piccole o più sottili, ma integrate nello spazio reale del prodotto.
Per il settore della stampa 3D, il messaggio è chiaro: la manifattura additiva non serve solo a costruire forme complesse. Può diventare uno strumento per progettare architetture energetiche nuove, dove geometria e chimica lavorano insieme. In questo caso il contributo non è una cella commerciale, ma un materiale che potrebbe rendere più concreta la produzione di batterie al litio adattate alla forma dei dispositivi.
