Batterie per la mobilità di domani

Da 0 a 100 km/h in 2,6 secondi. Velocità massima di 120 km/h. Il tutto alimentato da una batteria. Questa è "julier", la prima auto da corsa elettrica a vincere una competizione di Formula Student nel 2013, in cui sono in campo anche auto con motori a combustione. Paul Baade, all'epoca 22enne studente di ingegneria meccanica presso l'ETH di Zurigo, è il corresponsabile della batteria. Insieme a un team di studenti dell'ETH, Baade trascorre un anno intero ad armeggiare e lavorare sull'auto, partecipa a gare in tutta Europa e vince numerosi premi e riconoscimenti.

"Il nostro obiettivo era quello di costruire l'auto più veloce. La batteria è un fattore decisivo a causa del suo peso", afferma Baade, ripensando a quel periodo. Lo studente ha capito subito che le batterie agli ioni di litio erano la chiave per l'elettromobilità di domani. Oggi, il trentenne tedesco è un Pioneer Fellow dell'ETH e sta studiando come produrre batterie ad alte prestazioni in modo più economico. Le auto elettriche, infatti, sono ancora troppo costose per sostituire in modo generalizzato quelle con motore a combustione. Il principale fattore di costo è la batteria. "Se vogliamo abbandonare i combustibili fossili nel trasporto privato", afferma Baade, "abbiamo bisogno di batterie più economiche e migliori".

La Formula Student come esperienza formativa

Partecipazione agli pagina esternaFormula Student,uno dei più grandi concorsi al mondo per ingegneri, caratterizza ancora oggi Baade. Otto anni dopo, parla ancora con entusiasmo di questo periodo nel suo laboratorio di Rüschlikon: "Ti trovi in officina e realizzi ciò che hai pianificato in anticipo, installando parti che hai progettato tu stesso al computer. C'è una domanda che Baade non si lascerà mai sfuggire: Come funzionano esattamente le batterie?

Nell'ambito del suo Master presso l'ETH di Zurigo, inizialmente si è concentrato sempre più sui materiali utilizzati nelle batterie. Ha seguito corsi di micro e nanotecnologia per capire meglio il funzionamento interno di una batteria. Per la sua tesi di Master si è trasferito al rinomato Lawrence Berkeley National Laboratory, dove ha studiato una forma speciale di biossido di titanio come materiale anodico. Per poter osservare e analizzare meglio il comportamento di diffusione difficilmente accessibile all'interno della batteria, sta persino costruendo una batteria con una finestra di vetro.

? questo approccio pratico che caratterizza Baade. Nel corso dei suoi studi, sviluppa ripetutamente prototipi e configurazioni di prova per testare e ottimizzare direttamente le interrelazioni. La sua attenzione si sta spostando sempre più verso l'implementazione dell'ingegneria dei processi. Perché, secondo Baade, se non si presta sufficiente attenzione a questo aspetto o non lo si comprende, si corre il rischio di lavorare costantemente su idee irrealistiche.

Rivestimento ad alta velocità

Baade tornerà all'ETH nel 2016 per completare il suo dottorato presso l'Università di Zurigo. Centro di nanotecnologia Binnig e Rohrer,che l'ETH di Zurigo gestisce insieme all'IBM a Rüschlikon, per studiare più a fondo la produzione di batterie agli ioni di litio a basso costo. Insieme al suo supervisore Vanessa Wood, che ora è Vicepresidentessa per il trasferimento del sapere e i rapporti economici dell'ETH, sta sviluppando un nuovo processo di produzione per le batterie allo stato solido.

Si sta concentrando soprattutto sul processo di rivestimento. Per poterlo simulare e ottimizzare nelle condizioni più realistiche possibili, l'ingegnere dell'ETH sta costruendo un impianto di produzione in miniatura. Baade utilizza il proprio sistema di prova per dimostrare che la velocità di rivestimento può essere raddoppiata rispetto ai sistemi industriali convenzionali se si applicano strati più sottili. Il potenziale di questa tecnologia è impressionante: non solo è possibile produrre dieci volte di più, riducendo in modo significativo i costi di produzione, ma anche il processo di carica viene abbreviato, in quanto gli strati più sottili consentono tassi di carica più rapidi.

Ma non è tutto: "Un rivestimento più rapido porta i maggiori vantaggi per le batterie con elettroliti allo stato solido", spiega Baade. La maggior parte delle batterie agli ioni di litio oggi utilizza elettroliti liquidi, che hanno una conduttività leggermente superiore. Allo stesso tempo, però, sono più facili da incendiare. Il processo di rivestimento accelerato di Baade può ora compensare lo svantaggio della minore conduttività applicando strati più sottili e più rapidamente. Questo non solo rende la batteria più economica e più potente, ma anche più sicura.

Dal laboratorio all'applicazione industriale

Ma la maggiore velocità di rivestimento funziona anche al di fuori del laboratorio, su una vera linea di fabbrica? Paul Baade affronterà questa domanda nei prossimi due anni nell'ambito della sua Pioneer Fellowship. "Come passo successivo, vogliamo testare la scalabilità del processo produttivo in un impianto pilota. Al momento siamo alla ricerca di partner adatti a questo scopo", spiega l'ingegnere.

In principio, Baade è ottimista sul fatto che il suo processo porterà a risultati migliori anche su un impianto pilota: "Siamo già riusciti a produrre in condizioni relativamente reali nel nostro impianto di prova. Le possibilità di scalabilità sono quindi molto più alte rispetto ai normali test di laboratorio".

Insieme al suo partner Ramesh Shunmugasundaram,Baade, che è anche postdoc nel gruppo di ricerca di Vanessa Wood, sta anche lavorando a un business plan per la sua azienda. "Vogliamo dimostrare che non solo possiamo costruire batterie più economiche, ma anche più potenti", spiega. Baade è consapevole del fatto che i bravi ricercatori non sono necessariamente bravi imprenditori e che è necessaria una certa forza d'animo per affermarsi in questo competitivo segmento di mercato. La Pioneer Fellowship, con le sue numerose opportunità di coaching e networking, offre il punto di partenza perfetto per questo.