Il silicio è da anni il candidato più promettente per sostituire, almeno in parte, la grafite negli anodi delle batterie al litio: la sua capacità teorica di accumulare carica è circa dieci volte superiore. Ma ogni volta che un laboratorio annuncia celle al silicio ad alta densità energetica, la domanda che segue è sempre la stessa: quanto durano? Il Fraunhofer ISE di Friburgo, nell'ambito del progetto StrOboBatt, ha reso pubblici i risultati di una cella pouch da 25 Ah con anodo ricco di silicio che ha superato i 1.000 cicli completi di carica e scarica mantenendo oltre l'83% della capacità iniziale, un valore che supera la soglia considerata minima per l'uso commerciale.
TRL 4-5 — Dimostrazione/prototipo: celle pouch realizzate e testate su una linea pilota di laboratorio, non ancora un prodotto industriale
Impatto potenziale: alto
Il problema: il silicio promette tanto, ma ha sempre deluso sul lungo periodo
La chimica che oggi equipaggia la gran parte delle batterie al litio per auto elettriche ed elettronica di consumo usa la grafite come materiale anodico: un materiale stabile, ma che comprime il margine di crescita della densità energetica delle celle. Il silicio, in teoria, potrebbe moltiplicare per dieci la capacità specifica dell'anodo, ma ha un problema fisico difficile da ignorare: si espande fino al 300% del proprio volume durante la carica, contro il 10-12% della grafite. Questa dilatazione ripetuta rompe progressivamente i contatti elettrici all'interno dell'elettrodo e accelera la decomposizione dell'elettrolita, due fenomeni che fanno calare rapidamente la capacità utile della cella dopo poche centinaia di cicli. È il motivo per cui, finora, il silicio è entrato nelle batterie commerciali solo in piccole percentuali, mescolato alla grafite, e non come componente dominante dell'anodo.
La cella testata: anodo al silicio-carbonio, catodo NMC ricco di nichel
Il team di Fraunhofer ISE, guidato da Lukas Dold (responsabile del gruppo tecnologia dei materiali e scale-up delle batterie), ha costruito in proprio celle pouch da 25 Ah su una linea pilota semi-automatica nella cleanroom del Center for Electrical Energy Storage dell'istituto, a Friburgo: un impianto che copre l'intera catena, dalla miscelazione degli elettrodi al coating roll-to-roll, fino all'assemblaggio, alla formazione e alla caratterizzazione elettrochimica delle celle. Ogni cella conta 40 strati, realizzati con fogli elettrodici disponibili commercialmente: l'anodo è un composito silicio-carbonio/grafite in cui il materiale a base di silicio costituisce il 51% della massa attiva, abbinato a un catodo NMC (nichel-manganese-cobalto) ricco di nichel. Il risultato è un anodo con una capacità specifica superiore a 1.000 mAh/g e una capacità areale oltre i 5 mAh/cm², valori molto più alti di quelli tipici di un anodo in sola grafite.
Il vero nodo: tenere la cella sotto pressione
Il dato più interessante del test non è solo il numero di cicli, ma la condizione che li ha rese possibili. Il team ha fatto ciclare le celle a 1C confrontando due livelli di pressione meccanica assiale: a 1.000 kPa (circa 10 bar) la capacità residua dopo oltre 1.000 cicli è rimasta sopra l'83%, mentre a 300 kPa (circa 3 bar) il calo di capacità utile è risultato molto più marcato. "La durata del ciclo di vita è uno degli ostacoli principali alla diffusione industriale degli anodi ricchi di silicio", ha dichiarato Dold, aggiungendo che "oltre 1.000 cicli con una ritenzione di capacità di almeno l'80% è considerato un traguardo di prestazione importante". Marc Kissling, responsabile del gruppo produzione e valutazione delle celle batteria, ha sottolineato che "la pressione meccanica sulla cella è quindi un parametro importante per il funzionamento stabile delle celle pouch ricche di silicio": comprimere la cella dall'esterno limita la perdita di contatto elettrico tra le particelle di silicio che si espandono e si contraggono a ogni ciclo, riducendo la resistenza di interfaccia. I ricercatori segnalano anche un altro dettaglio non scontato: la capacità misurata con cicli di controllo a basso regime si è progressivamente allontanata, invecchiando la cella, da quella effettivamente disponibile durante la normale ciclazione a 1C, segno che la sola percentuale di ritenzione non racconta tutta la storia delle prestazioni reali.
Quanto valgono 280-330 Wh/kg
Nel formato di ricerca non ottimizzato usato per il test, la cella raggiunge una densità energetica di 280 Wh/kg a livello di cella. Fraunhofer ISE stima che un formato pouch ottimizzato per la produzione industriale potrebbe arrivare a circa 330 Wh/kg: secondo le elaborazioni della testata tedesca electrive.com, un valore di questo tipo sarebbe il 20-35% superiore alle attuali celle NMC e NCA e quasi il doppio delle celle LFP, e permetterebbe, a parità di peso del pacco batteria, di passare da circa 75 a quasi 100 kWh utili — con un'autonomia reale stimata in crescita da circa 450 a oltre 600 km per un'auto di segmento medio. Sono stime, non misure dirette su un veicolo, ma danno la scala del potenziale in gioco. Fraunhofer ISE aveva già lavorato sulla densità energetica delle batterie da un'altra angolazione, aumentando lo spessore degli elettrodi a parità di chimica: un approccio descritto in un articolo precedente e complementare, non alternativo, al lavoro sugli anodi al silicio.
C'è anche un argomento industriale, oltre a quello prestazionale: la grafite per gli anodi viene oggi importata in larga parte da fuori Europa, Cina in primis, mentre il silicio può essere prodotto anche su scala europea, per via sintetica. Un anodo in cui il silicio pesa più della grafite sposterebbe quindi, almeno in parte, la creazione di valore della materia prima verso filiere europee.
Il progetto StrOboBatt e la filiera industriale
I risultati nascono all'interno di StrOboBatt, progetto triennale avviato nel 2024 e sostenuto con 2,6 milioni di euro di finanziamento federale tedesco. A guidarlo è PCC Thorion, azienda di Duisburg fondata nel 2022 come filiale di PCC SE, che sviluppa compositi silicio-carbonio e altri materiali anodici al silicio a partire dal nanopolverizzato prodotto dalla società collegata PCC BakkiSilicon in Islanda. Il Fraunhofer ISE ha co-sviluppato con PCC Thorion il materiale composito dell'anodo, mentre Glatt Ingenieurtechnik (Weimar) ha contribuito con la propria tecnologia di sintesi delle polveri per l'ottimizzazione superficiale del materiale al silicio. Completano il consorzio, come partner industriali e di sviluppo, LG Chem Europe, E-Lyte Innovations e UniverCell Holding. Il progetto non si limita all'anodo: comprende anche lo sviluppo di catodi senza cobalto e nichel e di processi produttivi più sostenibili, con acqua al posto di solventi organici tossici nella formulazione degli elettrodi, una scelta che il consorzio indica come potenziale leva per abbattere sia l'impatto ambientale sia i costi di produzione delle celle. Le applicazioni indicate come target sono lo stoccaggio stazionario dell'energia eolica e solare in eccesso, la mobilità elettrica e il settore aerospaziale.
Perché interessa il settore
Promesse di batterie al silicio "rivoluzionarie" ne sono circolate molte negli ultimi anni, quasi sempre naufragate di fronte al problema della durata. Il dato che distingue questo risultato è che il traguardo di 1.000 cicli con almeno l'80% di ritenzione — la soglia comunemente considerata necessaria per un uso commerciale — è stato raggiunto non su una cella a bottone di laboratorio, ma su una cella pouch da 25 Ah, cioè di una taglia già vicina a quella di un'applicazione reale, prodotta su una linea pilota che replica i passaggi di un processo industriale. Resta però un risultato di laboratorio: è stato ottenuto a una specifica pressione meccanica di confinamento che, su un pacco batteria reale, richiede strutture meccaniche aggiuntive con un costo e un peso proprio; non sono ancora stati pubblicati dati di invecchiamento calendariale (la perdita di capacità nel tempo, indipendente dai cicli di uso) né un'analisi dei costi di produzione del composito silicio-carbonio su scala industriale. Il passo successivo, tipico di questo genere di progetti, è la validazione su formati di cella più vicini a quelli di serie e su un numero di cicli e di condizioni operative più ampio.
Il commento di PINET
Per l'Italia e per l'industria automotive ed energetica europea, il punto di maggiore interesse di questo risultato non è solo la densità energetica in sé, ma il fatto che la filiera del silicio per anodi — dalla materia prima islandese di PCC BakkiSilicon alla componentistica tedesca — resti quasi interamente europea, in un momento in cui la dipendenza dalla grafite importata è diventata un tema di autonomia industriale tanto quanto quella dalle terre rare. Resta da capire quanto rapidamente un risultato di laboratorio, per quanto ottenuto su celle pouch di taglia già realistica, possa tradursi in una linea di produzione di serie: il vincolo della pressione meccanica di confinamento, in particolare, è il tipo di dettaglio che spesso complica il passaggio dal prototipo al prodotto, perché incide su peso, costo e progettazione del pacco batteria. Il giudizio più corretto, per ora, è di interesse concreto ma non ancora di svolta: la soglia dei 1.000 cicli con l'80% di ritenzione è un traguardo storicamente mancato dalle batterie al silicio, e averlo raggiunto su una cella di taglia industriale è un passo misurabile; mancano però ancora i dati — di invecchiamento nel tempo, di costo, di produzione su larga scala — che permetterebbero di dire se e quando questa tecnologia arriverà sui veicoli o sugli accumulatori stazionari venduti in Europa.
Fonti: Fraunhofer ISE, "Fraunhofer ISE Successfully Tests High-Energy Battery Cells with Silicon-Rich Anodes Over 1,000 Cycles", con approfondimenti da ESS News, "Fraunhofer silicon-rich cells retain over 83% after 1,000 cycles" e electrive.com, "Greater range at the same weight: silicon battery passes laboratory test".
