Materiali compositi a… doppia funzione strutturale ed energetica

Se i componenti strutturali di edifici e veicoli potessero accumulare energia si potrebbe eliminare il peso e l’ingombro delle batterie elettriche, aprendo la strada alla progettazione di manufatti leggeri e resistenti idonei allo stoccaggio.

Per fronteggiare la cre­scente domanda di e­lettrificazione dei con­sumi e dei servizi, di­versi gruppi di ricercatori in tut­to il mondo stanno tentando di sviluppare accumuli ricaricabili cosiddetti “strutturali”, da inte­grare nei componenti costruttivi degli edifici e non solo.

Come per le superfici fotovoltai­che a film sottile – che a fronte di una contenuta efficienza di con­versione sfruttano superfici ar­chitettoniche molto più ampie ri­spetto ai moduli a celle cristalline – anche per le batterie strutturali il principale vantaggio consiste nell’impiegare volumi di stoccag­gio molto superiori rispetto alle batterie tradizionali. L’obiettivo degli studi in corso consiste per­ciò nella messa a punto di com­ponenti anche a bassa densità energetica, ma facilmente inte­grabili nei sistemi costruttivi.

Meccanica ed elettronica

I ricercatori della Chalmers U­niversity of Technology di Göteborg (Svezia), guidati dal prof. Leif E. Asp, hanno compiu­to recentemente un passo avanti significativo. Utilizzando mate­riali ad alta resistenza meccani­ca come fibra di carbonio, fibra di vetro e alluminio, hanno creato il prototipo di cella a batteria che, oltre al passaggio della corrente fra gli elettrodi, è in grado di tra­sferire i carichi statici (compres­sione, trazione) in tutte le dire­zioni.

Le prestazioni strutturali (modu­lo elastico: 25 GPa) del sistema di accumulo (densità energetica: 24 Wh/kg) si prestano perciò al­lo sviluppo di materiali composi­ti strutturali con funzione di bat­teria. Resta ancora molta strada da fare, ma la rapidità dell’inno­vazione tecnologica potrebbe ri­servare sorprese in tempi relati­vamente brevi.

MOLTEPLICI APPLICAZIONI – L’uso di materiali in grado di caricarsi e scaricarsi di elettricità presenta interessanti potenzialità non solo per le costruzioni e le infrastrutture, ma anche per l’ingegneria dei trasporti. In pratica, grazie a superfici attive – ad esempio quelle a film sottile, che producono energia anche senza bisogno di irraggiamento diretto – i telai dei mezzi di trasporto potrebbero in futuro svolgere la doppia funzione, strutturale e di accumulo.

ECCO IL PROTOTIPO – Oltre a condurre la corrente, lo strato in fibra di carbonio e la lamina in alluminio poste agli elettrodi rinforzano il materiale dal punto di vista meccanico, fornendo anche la funzionalità elettrica. Lo strato intermedio facilita il trasporto degli ioni di litio e trasferisce i carichi meccanici tra fibre, particelle e strati. L’aggiunta di un additivo di passivazione (LiBoB: litio-bisossalato-borato) all’elettrolita strutturale positivo previene le reazioni collaterali nel collettore di corrente in alluminio.