Tecnologie spaziali | GLITTERY, batterie senza fine per applicazioni aerospaziali

Una batteria dalla durata infinita è il sogno di tutti gli utilizzatori di ogni tipo di device elettronico, dagli smartphone ai PC portatili, fino agli innovativi sistemi green che si avvalgono di accumulatori di energia, come auto elettriche e impianti fotovoltaici.  Incrementare la durata delle batterie agli ioni di litio rappresenta una svolta tecnologica importante anche nel settore aerospaziale.

Si inserisce in questo contesto GLITTERY (acronimo di Germanium anode lithium Ion battery) - Sviluppo di batterie agli ioni di Litio con anodo in germanio nanoporoso per applicazioni Aerospaziali, il progetto di ricerca coordinato dal professor Donato Vincenzi, del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’Università di Ferrara e finanziato dall’Agenzia Spaziale Internazionale (ASI).

“GLITTERY, spiega il Professor Vincenzi, nasce in risposta alla necessità di disporre di batterie al litio con performance migliori rispetto a quelle esistenti sia in termini di quantità di carica accumulata sia in numero di cicli di carica e scarica. Queste caratteristiche sono richieste per l’alimentazione dei veicoli spaziali, ma potrebbero aprire nuovi orizzonti anche in altri settori chiave e di interesse commerciale, con potenziali benefici anche per le nostre vite sempre più interconnesse e on-line.”

Il progetto tutto italiano, iniziato a marzo del 2021, oltre al Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’Università di Ferrara, vede coinvolti l’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM-CNR) di Bologna, il Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell’Università di Cagliari, l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), la Fondazione Bruno Kessler (FBK), Genport srl e Advanced Technology Partner (ATP), nel pieno spirito del Bando di ricerca per tecnologie abilitanti trasversali di ASI, che prevede una efficace ed effettiva collaborazione tra diversi settori, e la comunicazione, soprattutto se si considerano le finalità e le future opportunità del progetto.

Alla base una tecnologia da Nobel

Solo pochi anni fa le batterie venivano caricate separatamente o si estraevano per poterle sostituire; oggi invece sono quasi tutte integrate nei device. Nascoste, ma non meno importanti. Infatti, dipendiamo sempre di più dalle loro performance nella nostra vita quotidiana come nelle imprese aerospaziali.

L’importanza della tecnologia alla base delle batterie agli ioni di litio è stata evidenziata nel 2019 con l’assegnazione del premio Nobel per la chimica ai suoi sviluppatori: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino, i cui studi possono ritenersi la premessa per una società senza fili e senza combustibili fossili.

“La possibilità di potenziare la capacità gravimetrica della batteria, ovvero la quantità di carica accumulata per unità di massa, dipende dal tipo di composto formato con il litio e  presente all’anodo, che risulta essere un elemento critico limitante.
Attualmente si utilizza la grafite, perché è un composto inerte, facile da lavorare e relativamente economico. La grafite, però, è caratterizzata da una capacità gravimetrica relativamente bassa.
Da tempo si studiano quindi alternative a questo materiale, e i semiconduttori tra cui silicio e germanio sembrano le migliori. Il germanio è un elemento che, dal punto di vista teorico e in virtù degli studi già effettuati, permetterebbe di ottenere prototipi pre-industriali con capacità gravimetrica doppia rispetto agli attuali sistemi che utilizzano la grafite.
Proprio per questo motivo GLITTERY è estremamente interessante per le attività aerospaziali che hanno necessità di una maggiore capacità gravimetrica, un elevato numero di cicli di carica scarica e contenimento dei costi.”

La nano-strutturazione del germanio trova applicazioni in numerosi settori oltre alle batterie al litio, come i sensori di gas, e da diversi anni è oggetto di molteplici studi da parte di Unife.

“Il nostro gruppo di ricerca ha sviluppato una tecnica che permette di rendere poroso il germanio tramite ossidazione anodica. Questo anodo di nuova concezione, la cui metodologia di produzione è stata recentemente brevettata, è il risultato del progetto ANGELS (acronimo di Anodi in germanio nanoporoso per batterie al litio per applicazioni aerospaziali), anch’esso finanziato dall’Agenzia Spaziale Internazionale.”

GLITTERY si può considerare come la naturale prosecuzione e sviluppo del precedente studio. 

Integrazione, performance e sicurezza 

Il progetto è stato suddiviso in quattro fasi, all’interno delle quali gli step di lavoro dei partner e sub-contractor coinvolti avvengono spesso contemporaneamente e sono caratterizzati da un’elevata integrazione sia per i prototipi realizzati, sia per i test effettuati, che per l’ottimizzazione delle varie procedure e sistemi.

Durante la prima fase è stato realizzato e caratterizzato un set di batterie in formato coin cell, ovvero una batteria dalle dimensioni circolari di 1,5cm di diametro, con anodi in germanio nanoporoso. 

“La deposizione dei film sottili di materiale semiconduttore fa uso di un processo sviluppato nel Dipartimento di Fisica dell’Università di Ferrara. Il ruolo di Unife all’interno del progetto GLITTERY riguarda la realizzazione degli elettrodi, in tutte le fasi della loro produzione, ma anche gli aspetti relativi alle caratterizzazioni fisiche e morfologiche di quest’ultimi, al fine di garantire che i prototipi realizzati abbiano le medesime caratteristiche. I prototipi ottenuti hanno dimostrato ottime prestazioni, in linea con gli obiettivi che ci attendevamo all’inizio del progetto, facendoci ben sperare per le fasi successive e per la realizzazione di batterie estremamente performanti e più leggere di quelle attuali”, afferma il professor Vincenzi.

La seconda e la terza fase del progetto sono strettamente connesse tra loro perché riguardano la realizzazione della batteria in formato pouch cell o impaccata, cioè delle dimensioni più grandi rispetto alle precedenti (fino a 8x8 cm2).

La realizzazione di questo formato è fondamentale per la fase di pre-industrializzazione, infatti rappresenta il tipico prototipo della ricerca industriale, mentre la coin cell è quello più diffuso nell’ambito della ricerca accademica.

“Gli aspetti relativi alla sicurezza sono di fondamentale importanza per le applicazioni spaziali, nelle quali è spesso quasi impossibile procedere alla riparazione o sostituzione dei dispositivi in caso di criticità.
Gli anodi sviluppati nell’ambito del progetto GLITTERY potrebbero contribuire positivamente alla sicurezza dei dispositivi grazie all’elevata efficienza dei processi termodinamici coinvolti.”

L’ultima fase del progetto riguarda l’assemblaggio vero e proprio del pacco batteria formato dalla pouch cell e dal BMS. Su questo prototipo verranno eseguiti i test in laboratorio, compresi quelli relativi alla simulazione dell’ambiente estremo in camera climatica a basse temperature (fino a -40°C) e del thermal runaway, cioè la perdita delle condizioni di equilibrio causa surriscaldamento, a tal fine verrà verificata la temperatura di innesco della batteria e definiti gli accorgimenti necessari per l’ottimizzazione e l’affidabilità dell’intero sistema.

“Nella parte conclusiva di GLITTERY è previsto anche uno studio di fattibilità tecnico per depositare il germanio su superfici più ampie, questo servirà per aprire le porte del prototipo alle applicazioni industriali e commerciali.”

Per saperne di più:

Partners coinvolti nel progetto GLITTERY: Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra (Università di Ferrara), Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica (Università di Cagliari), Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova, Genport srl di Vimercate (MB)

Sub-contractor coinvolti nello sviluppo del progetto: Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM-CNR di Bologna), Fondazione Bruno Kessler (FBK) di Trento, Advanced Technology Partner (ATP) di Alessandria

Contratto di finanziamento ASI N. 2021-2-U.0, nell’ambito dei progetti di ricerca del Bando per Tecnologie Abilitanti trasversali.

A cura di LARA CANTIANI, tirocinante del Master in Giornalismo e Comunicazione Istituzionale della Scienza di Unife