Le tecnologie additive e il futuro delle batterie al litio
Un gruppo di ricercatori dell’Università Minzu del Nord ha pubblicato su ACS Omega una rassegna approfondita delle potenzialità della stampa 3D applicata alle batterie agli ioni di litio. Il lavoro è coordinato da Xiaofei Lou, Li Zhao, Yang Gao e Xiaohui Nan. Il documento analizza come le tecniche additiva possano riprogettare elettrodi ed elettroliti, superando i limiti delle tecniche tradizionali basate su slurry coating
Tecniche di stampa 3D al servizio dell’elettrochimica
Tra i metodi messi a confronto emergono quattro approcci distinti:
- Fused Deposition Modeling (FDM)
- Direct Ink Writing (DIW)
- Stereolithography (SLA)
- Binder Jetting (BJ)
Ciascuna di queste metodologie consente un controllo preciso della porosità e della geometria della struttura, aspetti fondamentali per ottimizzare la capacità e la durata delle batterie
Strutture progettate: da microarchitetture a elettroliti stampati
L’impiego della stampa consente di:
- Creare microstrutture personalizzate per anodi e catodi, con patenti geometrie porose e materiali compositi (come carbonio drogato, silicio-grafene, o host metallici che rallentano la formazione di dendriti); una struttura a base di carbonio derivato da MOF ha consentito capacità areali di circa 30 mAh/cm².
- Realizzare catodi con materiali evoluti, tra cui LiCoO₂ (capacità di 5,16 mAh/cm²) e LiFePO₄ con densità energetiche fino a 350 Wh/kg, in configurazioni molto spesse
- Stampare elettroliti solidi o quasi-solidi tramite inchiostri curabili con UV, contenenti liquidi ionici, con buone prestazioni ioniche e stabilità dell’interfaccia: questo orienta verso soluzioni solide che evitano componenti liquidi tradizionali.
Dove trova spazio la stampa 3D nelle batterie di nuova generazione
Le applicazioni più adeguate sono:
- Componenti su misura per veicoli elettrici o dispositivi elettronici flessibili.
- Batterie integrate direttamente in componenti stampati in 3D.
- Sistemi dotati di elettrodi ultra-spessi, con ampia capacità per unità di area o peso .
Tuttavia, le sfide restano evidenti: sviluppo di inchiostri conduttivi adeguati, bilanciamento tra velocità e risoluzione di stampa, complessità dei post-processi (come il trattamento termico), difficoltà nel gestire elettroliti solidi soprattutto a livello interfacce .
Altre strade interessanti nella stampa di batterie
- Inkjet Printing (IJP): impiega inchiostri depositati con precisione per creare strutture sottili o tridimensionali, riducendo gli sprechi. Si mostra potenzialmente utile per realizzare batterie agli ioni di litio completamente stampate, anche con elettroliti solidi e senza liquidi volatili.
- Studi accademici propongono architetture microlattice stampate con Aerosol Jet, in grado di aumentare la capacità utile e la velocità di carica-scarica, affermando una robustezza meccanica notevole per applicazioni ad alto carico.
- L’approccio SEAM (Structured Electrode Additive Manufacturing) ha prodotto elettrodi spessi con materiali attivi allineati lungo la direzione del flusso ionico, migliorando la trasmissione degli ioni e la densità energetica.
Sintesi delle potenzialità e limitazioni
| Elemento | Vantaggi principali | Sfide da affrontare |
|---|---|---|
| Controllo microstrutturale | Maggiore densità energetica, riduzione del materiale inattivo | Complessità nella stampa multilayer |
| Geometrie complesse | Configurazioni ottimizzate per il trasferimento ionico | Scalabilità e compatibilità di processo |
| Elettroliti solidi | Eliminano componenti liquidi, migliorano sicurezza | Interfacce resistive e compatibilità meccanica |
| Multipli metodi di stampa | Personalizzazione, efficienza, integrazione in prodotti | Sviluppo di inchiostri e strumenti specifici |
| Applicazioni mirate | Elettronica flessibile, elettrodi ultra-spessi, batterie integrate | Produzione industriale, ripetibilità, sistemi di controllo qualità |
