Al test il primo sistema di batterie agli ioni di alluminio ad alta potenza al mondo per l’accumulo di energia

In una tappa fondamentale per la tecnologia di batterie senza litio, il progetto di R&S collaborativa Innobatt guidato dal Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology (IISB), ha completato un dimostratore di sistema di batterie basato su celle alluminio-grafite a doppio ione (Agdib). Il dimostratore conferma la stabilità di questa nuova chimica di cella non solo in condizioni di laboratorio, ma anche in scenari operativi realistici.

La batteria ricaricabile agli ioni di alluminio è una tecnologia di accumulo energetico economica e non infiammabile che utilizza materiali attivi facilmente reperibili – alluminio e grafite. Con grafite naturale come materiale catodico, le celle Agdib possono raggiungere densità di energia di 160 Wh/kg e densità di potenza superiori a 9 kW/kg. In quanto dispositivo di accumulo ad alta potenza, la batteria agli ioni di alluminio può essere caricata e scaricata rapidamente a elevati C-rate, consentendo applicazioni a risposta ultrarapida.

Secondo Fraunhofer IISB, la chimica reversibile consente oltre 10.000 cicli al 100 % di profondità di scarica (DoD) in celle di laboratorio, con efficienza coulombica prossima al 100 % ed efficienza energetica superiore all’85 %. Le celle pouch multistrato, resistenti alla corrosione, sviluppate per le batterie agli ioni di alluminio, hanno capacità fino a 200 mAh, raggiungendo più di 1.000 cicli per celle da 200 mAh a 4 strati a 6 C e oltre 7.000 cicli per celle monostrato da 30 mAh a 30 C.

Con tali prestazioni, le batterie agli ioni di alluminio mostrano un grande potenziale per applicazioni stazionarie e ibride mobili, in particolare come sistemi UPS e dispositivi di accumulo ad alte prestazioni per la stabilizzazione dinamica della rete, dove frequenti micro-cicli a bassa energia richiedono alta potenza più che elevata densità energetica.

Sebbene molte nuove tecnologie di batterie prive di litio siano ancora a livello di laboratorio, i dimostratori di sistemi completi sono rari. Nell’ambito del progetto Innobatt è stato ora realizzato un dimostratore di sistema di batteria completo, dopo una precedente fase di scaling della tecnologia Agdib verso celle pouch di piccole dimensioni, come riportato da Fraunhofer IISB a fine novembre. Lo sviluppo si è concentrato sull’intera catena del valore: chimica di cella sostenibile e senza litio, integrazione di un sistema di gestione della batteria (BMS) wireless, misura di corrente bidirezionale basata su sensori quantistici e riciclabilità.

In un caso di test realistico, il dimostratore integra otto celle pouch Agdib con un BMS wireless basato sulla piattaforma open source foxBMS® e dotato di comunicazione RF sicura, oltre a un sensore quantistico a base di diamante per la misura ad alta risoluzione della corrente.

I materiali attivi e il design delle celle sono stati ottimizzati per migliorare stabilità, affidabilità e riproducibilità. Il modulo batteria è stato assemblato in configurazione 4s2p, con un BMS-Slave che comunica in modalità wireless con il BMS-Master. Il sensore quantistico, basato su centri NV nel diamante, misura correnti su cinque ordini di grandezza, catturando sia piccole sia grandi correnti dinamiche con elevata precisione.

Questo sistema convalida con successo le capacità ad alta potenza della chimica Agdib per la stabilizzazione della rete, sottolinea Fraunhofer IISB. I risultati precedentemente osservati a livello di cella sono stati confermati a livello di modulo utilizzando dati di frequenza reali per emulare applicazioni di riserva istantanea. Il sistema ha mantenuto prestazioni stabili sotto carichi dinamici ad alta corrente a 10 C, dimostrando la scalabilità di Agdib grazie alla riuscita produzione delle celle, alla loro interconnessione e all’integrazione di sistema. A differenza di molti sistemi di batterie convenzionali, Agdib supporta tassi di carica e scarica molto elevati, risultando particolarmente adatto ad applicazioni come la fornitura di inerzia virtuale alla rete.

La riciclabilità è stata un punto centrale durante tutto lo sviluppo. I materiali di cella possono essere separati fisicamente senza l’uso di sostanze chimiche tossiche, consentendo cicli chiusi dei materiali. Il design del modulo segue una strategia di design-for-recycling, superando i requisiti normativi UE attuali in termini di efficienza di riciclo delle batterie e proponendo un sistema di accumulo energetico sostenibile e pronto per il futuro.

Sebbene molte nuove tecnologie di batterie prive di litio siano esaminate a livello di celle di laboratorio, i dimostratori di sistemi di batterie che impiegano nuove chimiche di cella restano rari. Tuttavia, un dimostratore di sistema di batterie basato su AGDIB è stato ora realizzato nell’ambito del progetto Innobatt, dopo aver prima scalato la tecnologia verso celle pouch di piccole dimensioni in progetti di ricerca precedenti, ha dichiarato a fine novembre Fraunhofer IISB, capofila del consorzio Innobatt. Lo sviluppo di questo innovativo sistema di batterie si concentra sull’intera catena del valore, da una chimica di cella sostenibile e priva di litio, all’integrazione di un sistema di gestione della batteria (BMS) wireless e di tecnologie di sensori di corrente quantistici bidirezionali, fino alle considerazioni sulla riciclabilità.

In un caso di test realistico, il dimostratore Innobatt dimostra la stabilità delle nuove celle di batteria. Integrando otto celle pouch AGDIB con un BMS wireless basato sulla piattaforma BMS open source foxBMS® di Fraunhofer IISB, con comunicazione sicura via radiofrequenza (RF), il prototipo è dotato anche di un innovativo sensore quantistico a base di diamante per la misura ad alta risoluzione della corrente.

I materiali attivi AGDIB e il design delle celle sono stati migliorati per aumentare stabilità e affidabilità delle celle e garantire prestazioni riproducibili. Ciò ha consentito un adeguato “matching” delle celle nonostante il processo di produzione manuale. Il modulo batteria è stato assemblato in configurazione 4s2p, impiegando un BMS-Slave con comunicazione RF wireless sicura verso il BMS-Master. Il sensore quantistico è basato su centri NV nel diamante. Rispetto ai sensori di corrente convenzionali, il campo di misura copre cinque ordini di grandezza. Di conseguenza, sia correnti dinamiche piccole sia grandi possono essere misurate con una risoluzione molto elevata.

Questo sistema di batterie convalida con successo la chimica di cella agli ioni di alluminio e le sue capacità ad alta potenza per applicazioni di stabilizzazione della rete. I risultati ottenuti in precedenza a livello di cella sono stati verificati sull’intero modulo batteria, emulando applicazioni di riserva istantanea basate su dati di frequenza reali. Il sistema dimostra prestazioni stabili con carichi dinamici ad alta corrente a 10 C per lunghi periodi di tempo e dimostra quindi la capacità di upscaling di Agdib tramite la riuscita produzione delle celle, la loro interconnessione e l’integrazione di sistema. Un vantaggio importante di Agdib è che consente tassi di scarica molto elevati e, a differenza di molti sistemi di batterie consolidati, anche tassi di carica elevati, come richiesto per le applicazioni di rete (ad esempio per fornire inerzia virtuale).

La riciclabilità delle celle e dei moduli è stata attentamente considerata durante lo sviluppo. La riciclabilità delle celle è stata valutata tramite un processo di separazione fisica che elimina l’uso di sostanze chimiche tossiche, facilitando così l’istituzione di cicli chiusi dei materiali. Il design del modulo ha seguito una strategia di progettazione orientata al riciclo (design-for-recycling), superando gli attuali requisiti normativi dell’UE in materia di efficienza di riciclo delle batterie e portando allo sviluppo e alla dimostrazione di questo sistema di accumulo energetico sostenibile.

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