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Ad oggi uno dei principali limiti alla potenza di una batteria, all'energia che fornisce e alla durata del ciclo di vita dipende dal design e materiale degli elettrodi con cui è realizzata. Che si tratti di una batteria al litio con chimica al silicio o basata su nichel-manganese-cobalto, l'elettrodo costituisce il fattore chiave per migliorarne le prestazioni. La sfida della creazione di un elettrodo che possa aumentare le performance delle attuali batterie e di quelle del futuro è la Nawa Technologies, una società francese che ha brevettato un nuovo design di elettrodo a nanotubi di carbonio allineati verticalmente.
L'azienda è già conosciuta sul mercato per i suoi ultracondensatori e proprio da questi ha avuto l'idea che potrebbe rivoluzionare il mondo delle batterie. Gli elettrodi ai nanotubi di carbonio sono gli stessi usati per gli ultracondensatori e i vantaggi che se ne potranno trarre nel sostituirli agli attuali elettrodi per le batterie al litio sono molti in termini di prestazioni. Infatti, Nawa Technologies sostiene che il nuovo elettrodo sia in grado di fornire una densità di energia 3 volte superiore rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, una potenza fino a 10 volte superiore, oltre che una ricarica notevolmente più veloce e l'estensione del ciclo di vita della batteria di 5 volte. Cioè la batteria potrà sostenere più cicli di carica e scarica.
Utilizzando lo stesso performante elettrodo, ma composti chimici diversi, si potranno sviluppare batterie del futuro sempre più potenti ed efficienti, oltre che durature nel tempo ricarica dopo ricarica. L'ambito di applicazione per questa nuova tecnologia è vasto, ma la società francese si è focalizzata soprattutto sullo sviluppo di batterie per i veicoli elettrici: da e-bike e motociclette, fino ad automobili e velivoli elettrici.
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Elettrodi ai nanotubi di carbonio: un design rivoluzionario
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Il nuovo elettrodo brevettato dalla Nawa Technologies è realizzato partendo dagli ultracondensatori di nuova generazione, con un design a nanotubi di carbonio allineati verticalmente o VACNT. Si tratta di elettrodi ultraveloci che combinano una più alta conduttività ionica, grazie a una nanostruttura tridimensionale, a una più alta conducibilità elettrica e termica, grazie alla possibilità di disporre 100 miliardi di nanotubi per centimetro quadrato.
Il design è molto diverso da quello del tipico elettrodo al "carbonio attivo" utilizzato finora, che viene realizzato con un mix di polveri, additivi e leganti che implicano una minore conduttività ionica, oltre che una inferiore conducibilità elettrica e termica. Il motivo sta nella struttura a "spaghetti aggrovigliati" dei tipici elettrodi: gli ioni portatori di carica si troveranno ad affrontare un percorso casuale, caotico e spesso bloccato da imperfezioni nella microstruttura, per poter raggiungere il collettore di corrente.
Allineando verticalmente i nanotubi di carbonio si ottiene invece una struttura ordinata, dove il percorso libero medio degli ioni, cioè la distanza che la carica deve percorrere per entrare o uscire dalla batteria, è drasticamente ridotto. Gli ioni di litio, o di altro materiale, percorre quindi delle "autostrade" lungo i nanotubi di carbonio fino al collettore di corrente.
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Elettrodi ai nanotubi di carbonio: i vantaggi per le batterie
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Offrire ai portatori di carica elettrica un percorso ordinato negli elettrodi ai nanotubi di carbonio implica aumentare fino a 10 volte la densità di potenza, cioè la capacità della batteria di fornire velocità di carica o scarica rapide. Il nuovo design della Nawa Technologies permetterà quindi di costruire batterie che siano più piccole, ma 10 volte più potenti di quelle attuali, con tempi di ricarica di molto inferiori: in 5 minuti la carica della batteria salirebbe dallo zero all'80%, con una infrastruttura di ricarica adeguata.
Per quanto riguarda la densità di energia, sia in rapporto al peso che al volume della batteria, potrebbe aumentare fino a 3 volte. Questo perché la struttura di nanotubi di carbonio può essere realizzata con una quantità inferiore di leganti e additivi, quindi si rivela ultraleggera e con delle lacune in cui ospitare il materiale attivo. Ne consegue che sarà possibile realizzare batterie più leggere e compatte, che abbiano un ciclo di vita fino a 5 volte superiore a parità di cicli di ricarica rispetto a batterie realizzate con altri elettrodi.
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Quando vedremo in commercio gli elettrodi ai nanotubi di carbonio?
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Secondo la Nawa Technologies, il nuovo design di elettrodo non dovrebbe avere un costo esoso. Il processo di produzione utilizzato al momento dalla società francese è simile a quello utilizzato per rivestire vetri con lo strato antiriflesso o per la costruzione di celle fotovoltaiche. I costi quindi potrebbero essere competitivi con quelli di produzione degli attuali elettrodi.
L'azienda è già in grado di produrre elettrodi per celle cilindriche o piatte di tutte le dimensioni, realizzandole affinché siano compatibili con una vasta gamma di materiali attivi tra cui il silicio, il nichel-manganese-cobalto, i composti dello zolfo e altri materiali che sta valutando con alcuni produttori di celle per batterie. La nuova tecnologia è stata appena brevettata e il prodotto potrebbe arrivare sul mercato entro il 2022 nella sua versione più semplice, con un incremento e consolidamento a partire dal 2023, per poi attivare collaborazioni con i produttori di batterie e sperimentare l'uso degli altri materiali attivi.
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Batterie al silicio: le potenzialità della nuova tecnologia
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Nella costruzione delle future batterie al silicio, gli elettrodi a nanotubi di carbonio potrebbero avere un ruolo da protagonista. Il silicio è un materiale attivo che durante il processo di carica e scarica si espande fino a quattro volte nelle sue dimensioni, per poi ritornare a quella originale. Questo processo causa crepe e problemi meccanici nell'elettrodo, che inevitabilmente si degrada e implica un ciclo di vita della batteria estremamente breve, di appena 50 cariche.
I nanotubi di carbonio invece sono indistruttibili e non risentirebbero dell'espansione del silicio, né della sua contrazione. Anzi, questo materiale potrebbe utilizzare le lacune della struttura ordinata per espandersi senza problemi e senza generare crepe e rotture. Proprio l'impiego dei nuovi elettrodi potrebbe dare il via al boom delle batterie al silicio, che oltre ad aumentare la densità di energia rispetto a quella delle attuali batterie al litio, è un materiale decisamente meno raro e costoso rispetto a quest'ultimo, consentendo così anche un abbattimento dei costi.
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Dalle e-bike ad auto e velivoli elettrici: tutte le applicazioni
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La Nawa Technologies ha già un primo cliente: il produttore di batterie francese Saft, che collabora con le case automobilistiche PSA e Renault al progetto European Battery Alliance per lo sviluppo di batterie per veicoli elettrici. Proprio in questo settore quindi si orienta l'applicazione della nuova tecnologia dell'azienda francese, per realizzare batterie per motociclette, e-bike fino e auto elettriche. Inoltre, la possibilità di produrre batterie che siano più leggere e compatte nelle dimensioni, oltre che più potenti e durature, consentirebbe all'aviazione elettrica di fare un enorme passo avanti nella progettazione di aerei elettrici a emissioni zero.
