Dalla ricerca sui materiali alla geometria dell’accumulo energetico
Per molti anni l’evoluzione delle batterie è stata descritta soprattutto attraverso la chimica: nuovi materiali catodici, anodi al silicio o al litio metallico, elettroliti solidi, celle agli ioni di sodio e sistemi capaci di ridurre l’impiego di materiali critici. La produzione additiva introduce un’altra variabile: la possibilità di intervenire sulla forma interna ed esterna della batteria.
Una batteria convenzionale viene costruita attraverso strati relativamente piatti, avvolgimenti cilindrici o pacchetti impilati all’interno di involucri standardizzati. Le geometrie più diffuse sono quelle cilindriche, prismatiche e pouch. Questa impostazione ha favorito la produzione su larga scala, ma obbliga i progettisti di veicoli, dispositivi elettronici, droni e apparecchiature medicali a ricavare uno spazio compatibile con la batteria.
La stampa 3D tenta di invertire questo rapporto. Il sistema di accumulo può essere progettato attorno al prodotto, occupando cavità, superfici curve e volumi che non potrebbero essere utilizzati con celle standard. La batteria smette così di essere soltanto un componente inserito in un involucro e può diventare una parte integrata nella struttura del dispositivo.
Il cambiamento non riguarda soltanto l’aspetto esterno. La produzione additiva permette di modificare l’architettura degli elettrodi, la distribuzione della porosità, i percorsi degli ioni, la conduzione degli elettroni e la gestione del calore. La geometria diventa quindi una variabile elettrochimica, accanto alla composizione dei materiali.
Che cosa significa realmente stampare una batteria
L’espressione “batteria stampata in 3D” comprende tecnologie differenti. In alcuni casi viene prodotto soltanto un componente, come l’elettrodo, il separatore, l’elettrolita o l’involucro. In altri progetti vengono depositati più materiali nello stesso processo, con l’obiettivo di costruire una cella completa.
Le tecniche studiate comprendono la deposizione diretta di inchiostri, l’estrusione di paste contenenti materiali attivi, il material jetting, la fotopolimerizzazione in vasca, la stampa di polveri e processi ibridi che combinano produzione additiva, rivestimenti, sinterizzazione e lavorazioni successive.
La Direct Ink Writing, spesso indicata con la sigla DIW, utilizza materiali con una viscosità controllata, estrusi attraverso ugelli sottili. Gli inchiostri possono contenere particelle di grafite, ossidi metallici, materiali conduttivi, leganti e solventi. Una volta depositati, gli strati devono mantenere la propria forma ed essere sottoposti a essiccazione, trattamento termico o altre operazioni di consolidamento.
La stampa inkjet deposita gocce molto piccole di materiale e consente di controllare con precisione la distribuzione locale della composizione. La tecnica può essere utilizzata per costruire strati sottili, circuiti, collettori di corrente o componenti di microbatterie.
La fotopolimerizzazione in vasca permette invece di solidificare selettivamente una resina mediante luce. Per le applicazioni energetiche è necessario integrare nella formulazione sostanze capaci di condurre ioni o elettroni, mantenendo allo stesso tempo una viscosità e una risposta alla luce compatibili con il processo di stampa.
I sistemi multMateriale rappresentano il livello più complesso. Anodo, catodo, separatore, elettrolita, collettori e involucro hanno caratteristiche fisiche e chimiche differenti. Devono essere depositati senza contaminazioni, aderire tra loro e conservare interfacce stabili durante migliaia di cicli di carica e scarica.
Perché gli elettrodi tridimensionali possono migliorare le prestazioni
Gli elettrodi convenzionali sono prodotti applicando una miscela di materiale attivo, additivi conduttivi e legante sopra un collettore metallico. Aumentare lo spessore consente di inserire più materiale attivo e, almeno in teoria, immagazzinare più energia per unità di superficie.
Uno strato molto spesso introduce però un problema: gli ioni devono percorrere distanze maggiori. Le zone più lontane dall’interfaccia con l’elettrolita possono essere utilizzate solo in parte, mentre aumentano la resistenza interna e le differenze di concentrazione. La batteria può immagazzinare molta energia, ma rilasciarla o riceverla con maggiore difficoltà.
La stampa 3D permette di progettare canali, reticoli, pori e strutture interconnesse che aumentano la superficie accessibile all’elettrolita. Gli ioni possono raggiungere più facilmente il materiale attivo, mentre una rete conduttiva continua facilita il trasporto degli elettroni.
Il Lawrence Livermore National Laboratory, insieme a ricercatori della University of California, Berkeley, ha mostrato come elettrodi tridimensionali interdigitati possano ridurre le zone scarsamente utilizzate. Le strutture si incastrano come le dita di due mani, mantenendo separati gli elettrodi ma aumentando l’area di contatto e riducendo le distanze di trasporto.
Il gruppo ha combinato progettazione computazionale e microstereolitografia multimateriale. L’obiettivo non era soltanto creare una forma complessa, ma individuare una geometria coerente con i limiti fisici del dispositivo. Questo approccio mostra come l’ottimizzazione topologica possa essere applicata anche all’accumulo elettrochimico.
Il vantaggio potenziale consiste nel trovare un equilibrio tra energia e potenza. Una batteria deve immagazzinare una quantità elevata di energia, ma deve anche essere capace di erogarla rapidamente e accettare correnti di ricarica elevate. L’architettura interna può contribuire a ridurre il conflitto tra questi due obiettivi.
MATERIAL vuole produrre batterie conformabili complete
Una delle aziende più attive nel campo delle batterie dalla geometria personalizzata è Material Hybrid Manufacturing Inc., che utilizza anche il nome MATERIAL. La società, con sede a Miami, è stata fondata da Gabe Elias e Christopher Reyes.
Gabe Elias ha lavorato come ingegnere nel settore della Formula 1, dove lo spazio disponibile e la distribuzione delle masse hanno un ruolo determinante. Christopher Reyes ha sviluppato attività di ricerca sulla produzione additiva di batterie durante il proprio percorso accademico.
La piattaforma dell’azienda, denominata HYBRID3D, è stata progettata per produrre batterie complete con geometrie conformabili. Il processo punta a integrare anodo, catodo, separatore e involucro, combinando tecniche additive e metodi derivati dalla produzione dei semiconduttori.
Secondo MATERIAL, il sistema non è vincolato a una sola chimica. La stessa impostazione produttiva potrebbe essere adattata a differenti combinazioni di materiali, evitando di costruire un’intera linea dedicata a un unico formato di cella.
L’azienda sostiene che una batteria conformabile possa utilizzare fino al 90% del volume interno disponibile in un prodotto. Il dato deve essere valutato in relazione alla singola applicazione, ma descrive il principale obiettivo del progetto: occupare spazi che le celle cilindriche o i moduli rettangolari non riescono a sfruttare.
Nel gennaio 2026 MATERIAL ha annunciato un finanziamento seed da 7,1 milioni di dollari, guidato da Outlander VC e Harpoon Ventures, con la partecipazione di GoAhead Ventures, Myelin VC, Demos Capital e Giant Step Capital.
La società ha inoltre ottenuto un contratto da 1,25 milioni di dollari con la United States Air Force, nell’ambito di un programma Small Business Innovation Research. MATERIAL sta lavorando con PDW e con altre imprese statunitensi del comparto della difesa per integrare batterie conformabili nei droni.
Per il progetto con PDW, MATERIAL indica come obiettivi un aumento superiore al 50% della densità energetica a livello di pacco e una riduzione del peso del modulo superiore al 22%. Si tratta di prestazioni previste per uno studio specifico e non di risultati generalizzabili a tutte le batterie stampate.
Le ricostruzioni dedicate al settore hanno associato la tecnologia anche alla possibile sperimentazione su piattaforme come lo SkyRaider di Teledyne FLIR Defense. Lo SkyRaider è un drone militare a decollo verticale progettato per trasportare sensori e carichi utili. In sistemi di questo tipo, volume e peso della batteria incidono sull’autonomia, sulla capacità di carico e sulla configurazione delle missioni.
La batteria come parte della struttura del prodotto
La produzione di batterie conformabili può favorire lo sviluppo di dispositivi nei quali il sistema di accumulo svolge anche una funzione strutturale.
In un drone, per esempio, l’energia potrebbe essere distribuita nelle ali, nella fusoliera o in altre cavità. In un dispositivo indossabile potrebbe seguire il profilo di un cinturino o della montatura di un paio di occhiali. In un’apparecchiatura medicale potrebbe adattarsi a una superficie anatomica o a uno spazio limitato.
Questa configurazione richiede però verifiche che non sono necessarie per una batteria tradizionale inserita in un contenitore rigido. Una cella integrata nella struttura può essere sottoposta a flessione, torsione, vibrazioni, urti e variazioni di temperatura.
La progettazione deve quindi considerare contemporaneamente comportamento elettrochimico, resistenza meccanica e sicurezza. Un componente che accumula energia non può essere trattato come una semplice parte plastica o metallica.
Anche la manutenzione diventa più complessa. Se la batteria è incorporata nella struttura, la sostituzione potrebbe richiedere la rimozione di una parte del dispositivo. I progettisti dovranno stabilire quando conviene integrare completamente l’accumulo e quando è preferibile mantenere moduli sostituibili.
Sakuu interviene sulla produzione degli elettrodi
Sakuu segue un percorso differente rispetto a MATERIAL. L’azienda di San Jose non concentra il proprio modello soltanto sulla forma della batteria, ma sulla trasformazione del processo industriale utilizzato per produrre gli elettrodi.
La piattaforma Kavian utilizza un processo a secco per depositare i materiali destinati ad anodi e catodi. Nelle linee convenzionali, le polveri attive vengono mescolate con leganti, additivi e solventi per creare una sospensione. La miscela viene stesa su un foglio metallico e deve attraversare lunghi sistemi di essiccazione.
Gli impianti di asciugatura occupano spazio, richiedono energia e devono gestire il recupero dei solventi. Alcune formulazioni utilizzano sostanze che richiedono sistemi di protezione e trattamento specifici.
Sakuu punta a eliminare la preparazione umida e la fase di essiccazione. La polvere viene depositata allo spessore richiesto, condizionata e controllata durante il processo. La società presenta Kavian come una piattaforma modulare destinata a ridurre la complessità degli impianti e lo spreco di materiale.
Nel 2024 Sakuu ha annunciato un accordo di sviluppo congiunto con SK On, produttore coreano di batterie per veicoli elettrici. La collaborazione è dedicata all’industrializzazione della stampa a secco degli elettrodi.
Questo caso mostra che la produzione additiva non deve necessariamente sostituire l’intera fabbrica. Può essere inserita in una fase specifica per eliminare passaggi costosi o difficili da controllare. Il risultato finale può mantenere un formato cilindrico, prismatico o pouch, ma essere prodotto attraverso una catena più breve.
Nel 2025 Sakuu ha dichiarato di avere consegnato centinaia di metri di elettrodi secchi a produttori di celle e imprese del settore automobilistico. La capacità di passare da piccoli campioni a nastri continui costituisce uno dei passaggi essenziali per valutare l’applicabilità industriale della piattaforma.
Wright Electric e le batterie alluminio-aria
Wright Electric, società statunitense impegnata nello sviluppo di sistemi energetici per l’aviazione, sta lavorando anche sulle batterie alluminio-aria.
In questa chimica, l’alluminio agisce come anodo, mentre l’ossigeno necessario alla reazione viene prelevato dall’ambiente. Poiché l’ossigeno non deve essere immagazzinato interamente all’interno della cella, il sistema può raggiungere una densità energetica teorica elevata.
Il limite principale è la ricarica. Le batterie alluminio-aria vengono considerate prevalentemente sistemi primari o meccanicamente rigenerabili: l’anodo consumato deve essere sostituito o trattato attraverso un processo esterno.
Wright Electric sta sviluppando, insieme alla Columbia University, una configurazione a flusso dotata di anodi in alluminio sostituibili. Il progetto utilizza un’architettura tridimensionale per migliorare il contatto tra i componenti e prevede la circolazione dell’elettrolita, con l’obiettivo di evitare l’accumulo dei prodotti della reazione.
In questo caso la stampa 3D non serve necessariamente a depositare tutti i materiali elettrochimici della batteria. Viene impiegata per realizzare canali, strutture di contatto e percorsi dei fluidi difficili da ottenere mediante lavorazioni convenzionali.
Le batterie alluminio-aria possono essere interessanti per missioni militari, sensori remoti e sistemi che richiedono molta energia senza una rete di ricarica disponibile. Un modulo esaurito può essere riportato alla base, rigenerato o sostituito meccanicamente.
Elettroliti stampati in forme personalizzate
La University of Texas at El Paso, indicata anche come UTEP, sta studiando la stampa 3D degli elettroliti, cioè dei materiali attraverso i quali si muovono gli ioni tra gli elettrodi.
Un gruppo guidato da Alexis Maurel ha sviluppato un elettrolita polimerico in gel stampabile mediante fotopolimerizzazione in vasca. La formulazione combina una resina induribile con la luce e un elettrolita liquido contenente litio.
Il materiale è stato stampato sotto forma di dischi, reticoli a nido d’ape e cubi. Secondo i risultati comunicati da UTEP, la conducibilità ionica ha raggiunto valori fino a 3,4 × 10⁻³ siemens per centimetro, vicini a quelli di alcuni elettroliti liquidi.
Un elemento significativo riguarda le condizioni di lavorazione. Il materiale è stato stampato nell’aria di un normale laboratorio e non soltanto all’interno di una camera priva di ossigeno e umidità. La semplificazione dell’ambiente produttivo potrebbe ridurre i costi e facilitare il passaggio a sistemi più accessibili.
La ricerca è stata condotta con la collaborazione dei Sandia National Laboratories. Il passo successivo consiste nell’integrare l’elettrolita stampato in celle complete e valutarne la stabilità durante cicli prolungati.
NASA e UTEP studiano batterie prodotte con risorse extraterrestri
UTEP partecipa anche al progetto SIBatt-3D, sostenuto dalla NASA, dedicato alla produzione di batterie agli ioni di sodio sulla Luna o su Marte.
L’obiettivo è utilizzare processi come l’estrusione di materiale e la fotopolimerizzazione per realizzare batterie conformabili durante missioni di lunga durata. Una parte della ricerca valuta l’impiego di materiali ricavabili dalla regolite lunare o marziana.
Trasportare ogni componente dalla Terra comporta costi elevati e vincoli logistici. La possibilità di produrre localmente parti di una batteria permetterebbe di ridurre il numero dei ricambi da spedire e adattare i sistemi energetici alle esigenze della missione.
Il progetto coinvolge competenze di UTEP, NASA e altri centri di ricerca. Le applicazioni spaziali sono ancora distanti da una produzione operativa, ma rappresentano un banco di prova per materiali stampabili, automazione, affidabilità e utilizzo di risorse locali.
Batterie allo stato solido e produzione multimateriale
Le batterie allo stato solido sono considerate uno dei campi nei quali la stampa 3D potrebbe offrire vantaggi significativi.
In una cella tradizionale, l’elettrolita liquido riesce a penetrare nei pori degli elettrodi e a creare un contatto esteso con il materiale attivo. In una batteria allo stato solido, il contatto tra elettrodo ed elettrolita deve essere costruito fisicamente durante la produzione.
Piccole discontinuità possono aumentare la resistenza, ridurre la superficie di scambio e favorire la formazione di zone meccanicamente instabili. I materiali possono inoltre espandersi e contrarsi durante i cicli, causando distacchi o fratture.
La deposizione controllata di più materiali potrebbe permettere di creare interfacce graduate, strutture interpenetranti e percorsi ionici più continui. Il vantaggio non dipende soltanto dalla risoluzione della stampante, ma dalla capacità di formulare materiali compatibili con il processo.
Ceramiche, polimeri, metalli e materiali attivi richiedono temperature e trattamenti differenti. La sinterizzazione necessaria per consolidare un elettrolita ceramico potrebbe danneggiare un polimero o modificare un elettrodo già depositato. Per questo motivo molti progetti utilizzano processi ibridi e più fasi produttive.
Microbatterie, sensori e dispositivi medicali
La stampa 3D può offrire vantaggi anche quando le dimensioni sono molto ridotte.
Già nel 2013 un gruppo della Harvard University e della University of Illinois at Urbana-Champaign aveva prodotto microbatterie agli ioni di litio attraverso elettrodi interdigitati, costituiti da strutture più sottili di un capello.
Le microbatterie sono necessarie per sensori, dispositivi impiantabili, sistemi di comunicazione miniaturizzati e componenti elettronici distribuiti. Riducendo le dimensioni di una batteria convenzionale, la capacità disponibile tende a diminuire rapidamente.
La stampa di architetture tridimensionali permette di aumentare la quantità di materiale attivo contenuta in un’area ridotta. Gli elettrodi possono svilupparsi in altezza e mantenere distanze limitate tra anodo e catodo.
In questi sistemi la precisione è essenziale. Un errore di pochi micrometri può generare un contatto indesiderato tra gli elettrodi o alterare il rapporto tra i materiali.
Il ruolo della difesa nella prima commercializzazione
Le applicazioni militari stanno assumendo un ruolo importante nello sviluppo delle batterie stampate.
Il mercato automobilistico richiede milioni di celle con costi ridotti, durata elevata e processi qualificati. Una nuova tecnologia deve competere con fabbriche che producono su scala molto ampia e che hanno ottimizzato ogni fase del processo.
I programmi della difesa possono accettare costi unitari superiori quando il dispositivo offre più autonomia, meno peso, una geometria personalizzata o la possibilità di produrre componenti vicino al luogo di utilizzo.
Droni, sensori remoti, apparecchiature portatili e sistemi aeronautici rappresentano applicazioni nelle quali ogni grammo e ogni centimetro cubo hanno un valore operativo. Queste condizioni favoriscono la sperimentazione delle batterie conformabili di MATERIAL, delle architetture sviluppate da Wright Electric e di altri sistemi ad alte prestazioni.
La produzione militare permette inoltre di testare i componenti in presenza di vibrazioni, temperature estreme, urti, umidità e cicli operativi difficili. I risultati possono contribuire alla definizione di procedure di qualificazione utilizzabili in seguito nei mercati civili.
Gli ostacoli alla produzione su larga scala
La libertà geometrica non elimina i problemi fondamentali dell’industria delle batterie. Una cella deve garantire sicurezza, uniformità, durata, densità energetica, potenza e costi compatibili con il mercato.
La velocità di stampa rappresenta uno dei limiti principali. Le tecniche ad alta risoluzione sono spesso lente, mentre i processi più veloci possono offrire un controllo inferiore sulle dimensioni dei dettagli e sulla distribuzione dei materiali.
Ogni lotto deve conservare la stessa porosità, lo stesso spessore e la stessa composizione. Una variazione limitata nella distribuzione del legante o delle particelle conduttive può modificare la resistenza interna e favorire un riscaldamento non uniforme.
La produzione multimateriale richiede sistemi di controllo capaci di verificare ogni strato. Telecamere, sensori, misure elettriche e algoritmi di analisi possono individuare difetti prima che la batteria venga chiusa, ma aumentano la complessità della macchina.
Anche il trattamento successivo alla stampa deve essere controllato. Essiccazione, polimerizzazione, sinterizzazione e infiltrazione possono provocare ritiri, deformazioni o cricche.
Un’altra questione riguarda la sicurezza. Una batteria costruita in una forma personalizzata deve superare prove di sovraccarico, cortocircuito, perforazione, vibrazione, urto e variazione termica. Le procedure dovranno essere adattate a componenti che non corrispondono ai formati standard.
Riparazione, riciclo e tracciabilità
La personalizzazione può complicare il riciclo. Gli impianti esistenti sono progettati per trattare formati e composizioni relativamente conosciuti. Una batteria multimateriale integrata in una struttura potrebbe richiedere operazioni specifiche di separazione.
La progettazione dovrà quindi includere fin dall’inizio il fine vita. Materiali compatibili, connessioni rimovibili e identificazione digitale della composizione possono agevolare recupero e trattamento.
La produzione additiva offre anche strumenti utili per la tracciabilità. Ogni batteria può essere associata a un file di produzione contenente geometria, materiali, parametri di deposizione e risultati dei controlli.
La possibilità di collegare questi dati alle prestazioni registrate durante l’utilizzo potrebbe favorire la manutenzione predittiva e la ricostruzione delle cause di un eventuale guasto.
La stampa 3D non sostituirà tutte le linee convenzionali
Le batterie stampate non sono destinate a sostituire in tempi brevi ogni cella prodotta mediante laminazione, avvolgimento o impilamento.
Per telefoni, veicoli elettrici e sistemi di accumulo di rete, la produzione convenzionale mantiene vantaggi rilevanti in termini di velocità e costo. La stampa 3D può però entrare in segmenti nei quali forma, integrazione e personalizzazione hanno un valore superiore al prezzo unitario.
Un secondo percorso riguarda l’uso della produzione additiva per migliorare singole fasi delle linee esistenti. La stampa a secco degli elettrodi proposta da Sakuu rappresenta un esempio: il formato finale può rimanere convenzionale, mentre cambia il metodo con cui viene depositato il materiale.
Il terzo percorso riguarda l’ottimizzazione delle architetture interne. I lavori del Lawrence Livermore National Laboratory mostrano come la geometria possa essere progettata per ridurre le zone inattive e migliorare il trasporto di ioni ed elettroni.
Il quarto percorso punta a stampare batterie complete, come nel programma HYBRID3D di MATERIAL. È l’approccio più ambizioso e richiede il controllo coordinato di materiali, interfacce e processi differenti.
Dalla batteria standard all’energia progettata insieme al prodotto
Il contributo più importante della stampa 3D potrebbe non essere la sostituzione di una chimica con un’altra, ma il superamento della batteria intesa come oggetto standard separato dal dispositivo.
MATERIAL sta lavorando sulla batteria conformabile completa. Sakuu interviene sulla produzione a secco degli elettrodi con il supporto industriale di SK On. Wright Electric utilizza architetture tridimensionali per sistemi alluminio-aria. UTEP e Sandia National Laboratories stanno sviluppando elettroliti stampabili, mentre NASA e UTEP studiano batterie agli ioni di sodio producibili durante missioni extraterrestri. Il Lawrence Livermore National Laboratory applica progettazione computazionale e produzione additiva agli elettrodi interdigitati.
Questi progetti perseguono obiettivi differenti, ma condividono un principio: le prestazioni della batteria dipendono anche dal modo in cui i materiali vengono organizzati nello spazio.
La distanza tra un prototipo di laboratorio e milioni di celle affidabili rimane ampia. Saranno necessari processi più veloci, controlli in linea, materiali stampabili stabili, procedure di certificazione e modelli di riciclo adeguati.
La produzione additiva ha però introdotto una possibilità che le linee convenzionali offrono con maggiore difficoltà: progettare nello stesso ambiente digitale il prodotto, la struttura interna e il sistema che lo alimenta.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
