Stampa 3D e Magnesio per batterie più capaci e facili da produrre

Le proprietà del magnesio lo rendono un elemento da considerare in sostituzione del litio nelle batterie, che possono ora essere stampate in 3D

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Viene da Taiwan una conferma del potenziale della tecnologia di stampa 3D come prezioso alleato nella ricerca di batterie sempre più capaci e più rapide da ricaricare.

Ricercatori della National Cheng Kung University hanno infatti dimostrato un processo di stampa 3D al laser per produrre una batteria al magnesio che rispetto al Litio potrà portare, secondo il team, a batterie più piccole, fino a tre volte più efficienti e soprattutto, producibili in minuti anziché ore.

Riduzione drastica dei tempi di produzione

Un processo di produzione impiegabile per produrre elettrodi porosi (sinterizzazione termica o termomeccanica) passa attraverso le quattro fasi della sintesi della polvere di materiale attivo (1), aggiunta e mescolamento del legante (2), ricopertura con strato di materiale attivo e compattamento per compressione (3), per finire con la cottura (4). L’intero ciclo può richiedere anche 24 ore circa.

In questa ricerca si è invece fatto ricorso alla stampa 3D con impiego di un laser in grado di produrre temperature anche di 10mila gradi per brevissimo tempo: questo ha consentito di eseguire in una singola passata tutte e quattro le fasi logiche sopra descritte, con enorme risparmio di tempo (solo 3 minuti contro 24 ore), il che sovverte una diffusa convinzione secondo cui la stampa 3D è una tecnologia lenta, impiegabile solo in piccola serie. In più la batteria ha prestazioni migliori perché l’elettrodo che si ottiene risulta avere una struttura stratificata che migliora il funzionamento.

La capacità della batteria può essere portata con precisione al valore desiderato, semplicemente reiterando il processo di stampa 3D con deposizione di ulteriori strati.

L’utilizzo di polvere di magnesio come materiale per la deposizione di alcuni (uno o due) strati dell’anodo, al posto di materiali più comunemente usati come grafite, silicati o composti del Litio o del Titanio, ha inoltre dimostrato di aumentare la densità del 20%, passando da 500 a 600 mAh/g.

Quando il Magnesio è meglio del Litio

L’incremento percentuale è superiore del 30% circa rispetto a quello ottenibile se gli strati aggiunti sono realizzati con composti di Litio. È noto che in linea teorica la densità volumetrica di energia raggiungibile con celle in Magnesio è assai superiore a quella del Litio: al di là del valore intrinseco quasi doppio (circa 3800 mAh per centimetro cubo per il Magnesio contro 2000 per il Litio) c’è l’ulteriore vantaggio che con il Magnesio si ha una tendenza quasi nulla a formare cristalli dendritici (corresponsabili del deterioramento delle prestazioni della batteria) durante il funzionamento, cosicché la microstruttura non richiede l’intercalazione di materiali a scopo preventivo (come si è costretti a fare con il Litio) e la densità volumetrica teorica di energia può essere quindi pienamente sfruttata.

Di conseguenza, a livello non di reazioni elettrochimiche ideali ma di dispositivo reale, con il Magnesio si pensa di poter raggiungere una densità volumetrica non 2, ma anche 5 volte maggiore che con il Litio. Naturalmente, miglioramenti nella tecnica di produzione di elettrodi al Litio potranno portare in futuro a ridurre questo fattore 5 riavvicinandolo a 2, fermi restando i limiti teorici superiori, che sono fissati dalla termodinamica elettrochimica.

Rispetto al Magnesio, il Litio resta invece in vantaggio per quanto riguarda la densità energetica rispetto al peso, dato il molto minor peso atomico del Litio (meno di un terzo di quello del Magnesio).

Come al solito in questo tipo di notizie, trattandosi di ricerca di base, non si ha nessuna data prevista per la disponibilità commerciale dei benefici della nuova tecnologia, anche se questo rimane naturalmente lo scopo ultimo degli studi in corso.

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