Il team ORNL consiglia di concentrarsi sulla pressatura isostatica per il solido

Jul 19, 2023

Dopo mesi di risultati promettenti dei test, i ricercatori delle batterie presso l’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia raccomandano che l’industria delle batterie a stato solido si concentri su una tecnica nota come pressatura isostatica mentre cerca di commercializzare batterie a stato solido di prossima generazione.

In un documento di revisione focalizzato ad accesso aperto per ACS Energy Letters, i ricercatori dell’ORNL raccomandano di prestare attenzione all’approccio di pressatura isostatica, poco studiato. Questo processo utilizza fluidi e gas come acqua, olio o argon all'interno di una macchina per applicare una pressione costante su un componente della batteria, creando un materiale altamente uniforme. Con l’aiuto di un partner industriale che produce questa attrezzatura di pressatura, i ricercatori dell’ORNL hanno scoperto che la pressatura isostatica potrebbe rendere la produzione di batterie più semplice e veloce, creando al contempo condizioni migliori per il flusso di energia.

(a) Sfide attuali nell'elaborazione e nell'integrazione delle batterie allo stato solido. (b) Distribuzione irregolare della densità mediante pressatura uniassiale singola in uno stampo rigido per cilindro. (c) Diagramma schematico di una cavità del recipiente a pressione in cui il campione viene inserito e sottoposto a condizioni di pressione e temperatura isostatiche e intervalli di temperatura e pressione per la lavorazione isostatica a freddo (CIP) (blu), la lavorazione isostatica a caldo (WIP) (verde) e tecniche di elaborazione isostatica a caldo (HIP) (arancione). Dixit et al.

Marm Dixit e colleghi dell'ORNL hanno scoperto che la pressatura isostatica può creare strati sottili di elettrolita solido e uniforme, mantenendo un elevato livello di contatto tra gli strati per un movimento omogeneo degli ioni. Il metodo funziona con una varietà di composizioni di batterie a diverse temperature e pressioni.

Tra i risultati promettenti, la pressatura isostatica si è rivelata estremamente efficace a basse temperature e con materiali elettrolitici morbidi, che sono più facili da lavorare e che hanno strutture cristalline favorevoli al movimento degli ioni. In precedenza la pressatura isostatica delle batterie veniva effettuata principalmente a temperature estreme: temperature molto elevate o a temperatura ambiente, ma non nel mezzo.

Tutti questi materiali hanno i loro vantaggi unici che i ricercatori vorrebbero sfruttare. Ecco perché è importante poter eseguire la pressatura isostatica a qualsiasi temperatura, dalla temperatura ambiente a diverse migliaia di gradi Fahrenheit: significa che puoi utilizzare qualsiasi cosa, dai polimeri agli ossidi, l'intera gamma di materiali.

Questa versatilità è fondamentale per un processo di produzione coerente per l’ampia varietà di design e materiali di batterie allo stato solido in fase di sviluppo, ha affermato Dixit. La pressatura isostatica sarebbe anche relativamente facile da espandere a livello commerciale, una scoperta che ha attirato molta attenzione mentre le aziende corrono per fornire batterie allo stato solido alle case automobilistiche. Diverse aziende automobilistiche leader hanno annunciato l’intenzione di vendere entro pochi anni veicoli elettrici alimentati da batterie allo stato solido.

Ilias Belharouak, membro dell’ORNL e capo della sua sezione di elettrificazione, ha affermato che la tecnologia delle batterie a stato solido deve essere perfezionata per la produzione su larga scala.

Tutte le batterie allo stato solido sono in viaggio a lungo termine. Ma la tecnologia di pressatura isostatica, se scalabile, fornirebbe un modo per assemblare gli strati della batteria senza pressioni esterne poco pratiche.

La pressatura isostatica è utilizzata da decenni nella saldatura per fusione e nella giunzione dei materiali. Recentemente è diventato uno strumento per eliminare vuoti e anomalie nelle parti stampate in 3D. Tuttavia, i test per le applicazioni con batterie sono stati limitati.

I ricercatori dell’ORNL hanno indicato che la pressatura isostatica potrebbe anche consentire di produrre i tre strati della batteria come un unico sistema denso anziché crearli separatamente prima di unirli.

Nel documento di ACS Energy Letters, il team di Dixit ha sottolineato l’importanza di perseguire una batteria a stato solido che possa essere adattata alla produzione.

I ricercatori dell'ORNL continuano a condurre test per scoprire quali combinazioni di temperatura e pressione di pressatura funzionano meglio con materiali diversi e come tali fattori influenzano la struttura.