3D printed cement-based Li-ion batteries with hydration-reinforced networks

Immaginate un mondo in cui le pareti della vostra casa, i pilastri di un ponte o il manto stradale di una via potessero fare molto di più che limitarsi a sostenere il peso. Potrebbero anche immagazzinare elettricità, agendo come enormi e silenziose batterie che alimentano luci, sensori o persino l'intero edificio. Questa idea, nota come stoccaggio di energia strutturale, è da tempo un sogno per gli ingegneri. La sfida è sempre stata trovare un materiale che fosse abbastanza resistente da essere utilizzato per la costruzione, ma anche capace di trattenere una carica come una batteria. Il cemento e la malta sono i materiali edilizi più comuni sulla Terra; sono economici, resistenti al fuoco e incredibilmente durevoli. Tuttavia, sono naturalmente scarsi nel condurre elettricità, il che è essenziale affinché una batteria funzioni. Le batterie tradizionali si affidano a miscele chimiche delicate tenute insieme da leganti plastici, che sono troppo fragili per fungere da travi strutturali. Per anni, gli scienziati hanno cercato di trasformare il cemento in una batteria, ma i risultati erano spesso deboli, con una capacità di accumulo molto ridotta o fallimenti dopo appena pochi utilizzi. L'obiettivo è stato quello di creare un materiale che sia allo stesso tempo un blocco da costruzione solido come una roccia e un dispositivo di stoccaggio dell'energia ad alte prestazioni.

Un team di ricercatori ha ora compiuto un passo significativo verso questa realtà, riuscendo a stampare in 3D una batteria fatta di cemento. Invece di cercare di forzare un design di batteria standard all'interno del calcestruzzo, hanno sviluppato un nuovo metodo che utilizza il naturale processo di indurimento del cemento per costruire la struttura interna della batteria. Hanno creato un inchiostro speciale composto da acqua, cemento e due tipi di materiali per batterie: uno che immagazzina la carica positiva e uno che immagazzina la carica negativa. Hanno anche aggiunto una rete di minuscole particelle di carbonio per aiutare l'elettricità a muoversi attraverso la miscela. Quando questo inchiostro viene spremuto da una stampante 3D, forma una forma continua. Mentre il cemento asciuga e indurisce, subisce una reazione chimica chiamata idratazione, che crea uno scheletro minerale che blocca tutto insieme. Questo scheletro fornisce la forza, mentre la rete di carbonio assicura che l'elettricità possa ancora fluire liberamente. Il risultato è un oggetto solido, stampato, che sembra e si sente come un pezzo di materiale da costruzione, ma funziona come una batteria agli ioni di litio ricaricabile.

I ricercatori hanno testato questo nuovo materiale stampando sia il lato positivo che quello negativo di una batteria e poi collegandoli per formare una cella completa. Hanno scoperto che la batteria funzionava sorprendentemente bene. Quando testata a una velocità di ricarica lenta, il lato positivo poteva immagazzinare 157,5 unità di energia per grammo, e il lato negativo poteva immagazzinare 172,3 unità. Questi numeri sono paragonabili a quelli di molte batterie commerciali standard, dimostrando che il cemento non ha rovinato l'attività chimica dei materiali della batteria. Ancora più importante, la batteria si è dimostrata incredibilmente robusta. Dopo essere stata caricata e scaricata diecimila volte, la batteria completa manteneva ancora il 98,5 percento della sua capacità energetica originale. Questo livello di durabilità è raro per le batterie, specialmente quelle realizzate con un materiale così ruvido e poroso. Lo studio ha dimostrato che la struttura in cemento ha effettivamente aiutato a proteggere i materiali della batteria, mantenendoli stabili anche durante l'espansione e la contrazione durante l'uso.

Oltre a trattenere una carica, il materiale ha dimostrato la sicurezza e la versatilità necessarie per il mondo reale delle costruzioni. A differenza delle batterie tradizionali che utilizzano sostanze chimiche liquide infiammabili e parti in plastica, questa batteria a base di cemento è composta da minerali non infiammabili. In un test diretto, i ricercatori hanno avvicinato una fiamma alla batteria stampata per dieci minuti. L'oggetto ha mantenuto la sua forma, non si è sciolto e non ha preso fuoco, mostrando un livello di resistenza al calore che le batterie a base di plastica non possono eguagliare. Il processo di stampa 3D ha inoltre permesso ai ricercatori di creare forme complesse e strati spessi senza che la batteria fallisse. Hanno stampato elettrodi con diversi spessori, e l'elettricità fluiva altrettanto bene attraverso gli strati spessi rispetto a quelli sottili. Ciò suggerisce che queste batterie potrebbero essere stampate in grandi forme personalizzate per adattarsi esattamente dove sono necessarie, invece di essere costrette in standard scatole rettangolari.

Lo studio ha anche affrontato il motivo per cui questo approccio funziona laddove altri hanno incontrato difficoltà. I precedenti tentativi di realizzare batterie di cemento fallivano spesso perché il cemento bloccava il movimento dell'elettricità o degradava le delicate sostanze chimiche della batteria. I ricercatori hanno scoperto che, bilanciando attentamente la miscela di cemento, materiali per batterie e carbonio, potevano creare una rete in cui il cemento forniva la forza e il carbonio forniva l'autostrada elettrica. Hanno confrontato il loro inchiostro a base di cemento con altre miscele che utilizzavano diversi leganti, come l'ossido di alluminio o il biossido di silicio, e hanno scoperto che la versione in cemento era la migliore. Il cemento non solo teneva insieme la struttura, ma sembrava anche migliorare il flusso degli ioni, le minuscole particelle cariche che trasportano l'energia all'interno della batteria. Questa combinica unica di proprietà significa che il materiale non è solo un contenitore passivo per l'energia, ma una parte attiva e integrata del sistema energetico.

Questo lavoro suggerisce una nuova strada per il futuro dell'edilizia. Va oltre l'idea di inserire semplicemente una batteria standard all'interno di una parete e propone invece che la parete stessa possa essere la batteria. La capacità di stampare in 3D queste strutture significa che architetti e ingegneri potrebbero progettare edifici con stoccaggio di energia integrato, personalizzato in base alla forma specifica e alle esigenze della struttura. I materiali utilizzati sono economici e ampiamente disponibili, e il processo è scalabile, il che significa che potrebbe essere utilizzato per produrre grandi quantità di questi componenti che immagazzinano energia. Sebbene la tecnologia sia ancora nella fase di ricerca, i risultati dimostrano che è possibile fondere i mondi della costruzione e dello stoccaggio dell'energia senza sacrificare sicurezza, forza o prestazioni. La batteria a base di cemento è una prova di concetto che i materiali che usiamo per costruire il nostro mondo possono anche alimentarlo.