Batterie a stato solido: la nuova frontiera dell’ elettrificazione?
09/03/2022 – Blog, Tutto sulle batterie al litio
Il settore delle batterie al litio è in evoluzione continua, una vera e propria ricerca giornaliera verso lo sviluppo di tecnologie sempre più performanti e innovative, che possano assicurare maggiore autonomia, potenza e sempre più brevi tempi di ricarica.
La tecnologia delle batterie a stato solido pare essere proprio l’ultima frontiera tecnologica in questo senso, una soluzione in fase di definizione che ha tutte le potenzialità per diventare il futuro della mobilità elettrica.
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Ma quando parliamo di stato solido, entrano in gioco una moltitudine di diversi fattori, con una serie di grandi vantaggi ma anche molti limiti, ancora in fase di studio e che, ad oggi, ne stanno ritardando l’ingresso sul mercato. Facciamo chiarezza.
Una batteria allo stato solido è essenzialmente una tecnologia di batteria che utilizza elettrolita solido al posto di elettroliti liquidi che sono invece alla base della tecnologia litio ione.
Per poter parlare chiaramente di batterie a stato solido è quindi importante fare un passo indietro e comprendere nel dettaglio il funzionamento di una batteria agli ioni di litio e le sue principali differenze rispetto a questa nuova tecnologia.
L’immagine di seguito rappresenta la struttura di un’attuale cella agli ioni di litio, la tecnologia che oggi è utilizzata nella stragrande maggioranza dei veicoli elettrici in circolazione. Cosa osserviamo?
[Fig.1]
Ogni cella agli ioni di litio possiede:
In una batteria attuale agli ioni di litio, il separatore non ha altre funzioni al di fuori di quella isolante ed è immerso totalmente nell’elettrolita liquido che bagna tutto all’interno della cella e diventa il vero e proprio mezzo attraverso il quale gli ioni di litio vengono trasportati tra catodo e anodo, dove l’anodo è composto da una struttura in grafite. Gli ioni di litio quindi si muovono attraverso l’elettrolita e vanno a intercalarsi nelle strutture cristalline dei due elettrodi anodo e catodo (strutture che hanno spazi vuoti all’interno dentro cui si possono incasellare gli ioni di litio che sono particelle molto piccole).
La struttura interna di una cella allo stato solido, invece, è molto diversa, in quanto tutti i suoi elementi sono solidi. Se nelle batterie al litio tradizionali l’elettrolita è un liquido, le celle a stato solido sono formate da:
[Fig.2]
Lo strato grigio centrale è il separatore a stato solido che, da solo, fa le veci sia del separatore tra anodo e catodo, sia dell’elettrolita. Diventa quindi il mezzo stesso attraverso il quale gli ioni si muovono ed ha anche proprietà di isolante elettrico e di separatore meccanico tra anodo e catodo. Il fatto di avere questo supporto solido e resistente consente di rimuovere la struttura di grafite sulla parte di anodo e far si che sull’anodo si accumuli direttamente il litio in forma metallica (esistono anche soluzioni semisolide nelle quali l’elettrolita è in gel).
Come funziona la batteria allo stato solido?
Nel momento del caricamento della cella, le particelle di litio si spostano dal catodo, attraversando la struttura degli atomi che compongono il separatore, per poi inserirsi tra il separatore stesso e il contatto elettrico dell’anodo, formando così uno strato solido composto di puro litio. In questo modo l’anodo sarà composto solo dalle particelle di litio e avrà un volume minore rispetto a all’anodo della tecnologia litio ione, che contiene la struttura di grafite.
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Le batterie a stato solido, sulla carta, promettono molteplici migliorie rispetto alle attuali batterie in commercio; l’elettrolita solido, infatti, sembra poter offrire una maggiore densità energetica, una lunga durata e una maggiore sicurezza, il tutto in dimensioni ridotte.
Ma è importante ricordare che questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo e ad oggi, le batterie agli ioni di litio rimangono la tecnologia più performante in commercio, con una moltitudine di chimiche, ognuna adatta a diversi scopi, disponibili ora e prodotte in larga scala.
Diamo però un’occhiata ai vantaggi offerti dalle batterie a stato solido:
Le batterie allo stato solido non hanno un elettrolita liquido, che nelle batterie al litio ione rappresenta uno dei componenti più sfidanti sotto il punto di vista della sicurezza, perché volatile e quindi più facilmente infiammabile. Inoltre, questo viene sostituito da uno strato di separatore più spesso, composto da materiale meccanicamente più resistente alle alte temperature (perché con composizione ceramica con vari additivi); questo rende la separazione tra anodo e catodo più affidabile, tanto da prevenire l’insorgenza di cortocircuiti, anche in caso di abuso o di degrado, e quindi la sicurezza intrinseca delle celle aumenta.
Ovviamente non tutte le batterie agli ioni di litio hanno lo stesso livello di sicurezza. Abbiamo parlato di questo tema all’interno dell’articolo “Rischi del litio”: Puoi veramente fidarti di una batteria al litio?
Un ulteriore vantaggio lato sicurezza è dato dalla maggiore resistenza alle dendriti, ovvero agli accumuli irregolari e appuntiti di litio, che si formano nella fase di passaggio tra catodo ed anodo. Il litio, infatti, non si muove in modo regolare ma tende a raggrupparsi e a creare punte che, come veri e propri spilli, crescono e in casi estremi possono arrivare a bucare il separatore. Il separatore solido invece, grazie al suo spessore, è più resistente alla penetrazione delle dendriti ed evita quindi possibili cortocircuiti, così come il degrado progressivo della cella.
[Fig.3]
La maggior sicurezza intrinseca permette di abilitare un’altra importante miglioria: l’utilizzo di un anodo puramente metallico favorisce un grande aumento di densità energetica. Questo è dovuto essenzialmente alla scomparsa dell’anodo in grafite (che nelle batterie agli ioni di litio va a contenere gli ioni nel momento della loro migrazione). In una batteria allo stato solido, al momento del passaggio, rimangono soltanto gli ioni e viene a meno una parte di composto ingombrante e pesante che non interviene attivamente nella produzione di energia.
Secondo gli studi più recenti, le batterie a stato solido avrebbero una densità energetica 2 / 2,5 volte superiore rispetto all’attuale tecnologia agli ioni di litio e questo grande vantaggio si tradurrebbe in una maggior leggerezza e in dimensioni più contenute. Sicuramente una svolta per la mobilità elettrica, che gioverebbe di una maggiore autonomia e un minor peso, ma ricordiamo che la certezza di questo dato si otterrà solo nel momento in cui questa tecnologia sarà ufficialmente pronta.
Dagli studi più recenti è emerso come le batterie allo stato solido sarebbero in grado di ricaricarsi fino a 6 volte più velocemente rispetto alle attuali tecnologie in commercio. Ma anche questo dato è ancora incerto e dipenderà dal modo in cui si metterà a punto questa nuova tecnologia. Esistono già prototipi di batterie a stato solido che si ricaricano molto velocemente, ma a discapito di altri fattori determinanti per raggiungere buone performance. Bisognerà mettere questo vantaggio sulla bilancia insieme ad altre caratteristiche essenziali che queste batterie dovranno avere, solo allora si valuterà l’alternativa più valida, anche lato costo.
Ad oggi, certo è che gli elettroliti liquidi tendono a soffrire le alte temperature, mentre gli elettroliti solidi, al contrario, diventano più performanti ad alta temperatura e questo favorirebbe le loro performance durante la carica rapida, una fase di lavoro che tipicamente fa salire di molto le temperature.
C’è chi sostiene che un elettrolita a stato solido, non essendo liquido, possa consentire un processo produttivo più agevole e veloce, che utilizzi meno materiale ed energia; ma anche questa teoria, seppur comprensibile, non è ancora dimostrabile e lo sarà solo nel momento in cui questa tecnologia verrà veramente prodotta su larga scala.
Possiamo però sicuramente affermare che oggi il riempimento della cella con l’elettrolita è un processo che richiede molto tempo: la cella deve essere assemblata vuota e deve avere un foro da cui in un secondo momento si riempie l’elettrolita, bisognerà poi aspettare che l’elettrolita venga assorbito completamente e, in seguito, bisognerà fare un refill per portare a livello e sigillare. Si tratta quindi certamente di una fase impattante nel processo produttivo e, con lo stato solido, potrebbe potenzialmente esserci un reale miglioramento, ma per trarre le giuste conclusioni aspettiamo una produzione reale di celle di questo tipo.
Come abbiamo visto, le batterie allo stato solido del prossimo futuro saranno potenzialmente in grado di fornire enormi vantaggi che incrementeranno le prestazioni e l’efficienza dei mezzi e rivoluzioneranno il settore dell’elettrificazione dell’industria automotive. Ma l’arrivo dello stato solido sul mercato sembrava già imminente qualche anno fa, e invece il punto di svolta non si è ancora raggiunto. Come mai?
Così come tanti sono i vantaggi, ci sono anche alcuni limiti dati dalla giovinezza di questa tecnologia, non ancora matura e in costante evoluzione. Proprio per questo possiamo riferirci a questi limiti come a delle vere e proprie sfide da affrontare e nuovi grandi obiettivi da raggiungere. Scopriamoli insieme.
Durante la carica e la scarica, la cella a stato solido è come se respirasse. Lo spessore dell’anodo in litio metallico aumenta in fase di carica e si riduce in fase di scarica, e come tutti gli elementi che non sono stabili, questo a lungo andare comporta un degrado. Il problema principale nasce dalla difficoltà di tenere le celle a stato solido fisse e compresse allo stesso tempo.
Una cella va tenuta compressa perché non si stacchino gli strati interni, ma non è sufficiente avvitarla in una struttura di contenimento, perché questa avrà costantemente bisogno di “respirare”. È quindi necessario creare una struttura meccanica complessa: nei prototipi di batterie a stato solido “da tavolo” si installano piastre con molle che tengono tutto compresso, ma si tratta di un sistema complesso e dispendioso, non replicabile su larga scala.
Per come è composta, non è possibile evitare che una cella a stato solido si gonfi; la ricerca però può lavorare su come renderla meno esigente dal punto di vista della pressione (quindi che la cella resti stabile da sola senza necessitare tutta questa pressione, ma magari solo con l’ausilio di un riempitivo), oppure sullo studio di materiali avanzati che riescano a consentire l’espansione della cella pur mantenendola ben fissata e compressa.
Gli ioni sono materia, atomi, ed è quindi intuitivo che in un liquido si muovano più facilmente, mentre un solido (separatore ceramico) dovrà avere una composizione particolare per poter permettere un agevole passaggio di ioni.
Esistono già separatori performanti in tal senso, ma solo ad alta temperatura, perché gli elettrodi solidi diventano buoni conduttori solo a temperature superiori a 50 gradi. Questo limite rende la tecnologia a stato solido ancora scarsamente applicabile nei casi reali di uso veicolare, perché non è possibile presupporre che la batteria sia sempre calda. Quando la batteria a stato solido non è calda, le sue performance attualmente si riducono drasticamente. Bisognerà lavorare per fare in modo che l’elettrolita solido abbia prestazioni buone a temperature sempre più basse.
I cicli di vita delle batterie a stato solido attualmente in fase di test sono ancora inferiori rispetto altre tecnologie a litio ione, come ad esempio la chimica LFP che supera agevolmente i 4.000 cicli di carica.
Il principale problema è dato dal fatto che è molto difficile ottenere un buon contatto tra tutti gli strati della cella. Quando si comincia a perdere il contatto tra gli strati, la cella perde di capacità e di performance.
Attualmente il costo di una batteria a stato solido risulta molto alto perché si parla di una tecnologia estremamente innovativa; quindi, sia i materiali che i processi di produzioni sono tali per cui i costi sono necessariamente più elevati rispetto alle batterie di produzione di massa. Non è ancora chiaro quanto potrà essere il costo finale di questa tecnologia, ma possiamo senz’altro presupporre che, se le grandi case automobilistiche stanno investendo in questa direzione, avranno sufficienti elementi per ritenere che anche il costo si adegui con una produzione su larga scala.
Nonostante le batterie allo stato solido abbiano ancora qualche problema da risolvere, il loro arrivo sul mercato è ormai certo e si prevede un loro largo impiego in tutti quei settori in cui, ad oggi, la densità energetica è un fattore limitante, perché lo spazio non è attualmente sufficiente per immagazzinare tutta l’energia di cui si ha bisogno. Le batterie allo stato solido, infatti, avendo una densità energetica doppia, permetteranno di raddoppiare l’autonomia e sono ormai viste come il futuro del mercato automotive e, più in generale dell’intera mobilità.
Anche il settore delle macchine industriali e dei veicoli elettrici guarda con curiosità a questa nuova tecnologia: è il caso dei macchinari molto energivori o mezzi pesanti, che spesso richiedono grande autonomia e dove, ad oggi, il volume risulta scarso rispetto alla quantità di energia che potrebbe essere impiegata.
L’introduzione di una tecnologia di batterie allo stato solido potrebbe sicuramente essere utile per ampliare ulteriormente la categoria dei mezzi elettrificabili. Quindi, se oltre alla grande densità energetica, le celle a stato solido diventassero competitive su tutti i fronti, potrebbero senz’altro essere una valida strada percorribile anche per il futuro dell’elettrificazione industriale.
“Ci sono buone premesse e buone aspettative sullo sviluppo delle batterie a stato solido, che una volta perfezionate, potrebbero essere l’elemento chiave per portare l’elettrificazione anche in settori più sfidanti, che al momento, per limiti di densità energetica, non possono ancora abbandonare i combustibili fossili. Il nostro dipartimento di Ricerca e Sviluppo guarda certamente con curiosità a questa nuova tecnologia, ma è importante ricordare che l’innovazione è un concetto in costante evoluzione, che non va seguito ma anticipato. In Flash Battery testiamo e studiamo giornalmente nuovi materiali e metodologie sempre più orientate ad alta efficienza e sostenibilità con l’obiettivo di rendere l’elettrificazione industriale sempre più ampia e aperta ai settori più diversificati”.
La batteria allo stato solido non è fantascienza, anzi! È già realtà in piccole applicazioni, come ad esempio alcune batterie consumer o alcuni mezzi, come gli autobus, predisposti per un utilizzo intensivo e in cui la batteria è impiegata no stop per l’intera giornata e, mantenendola sempre calda, funziona senza troppi problemi.
Lo stato solido è quindi già utilizzato con bassi volumi in:
Un esempio di caso reale sono le 50 automobili E70 con batterie a stato semisolido recentemente lanciate sul mercato dalla cinese Dongfeng Motor Corporation: una sorta di primizia tecnologica, dove sembra che le batterie a stato semisolido abbiano dimostrato eccellenti proprietà elettrochimiche attraverso una serie di test di simulazione.
Come si comporteranno sul lungo periodo? Sicuramente la casa automobilistica cinese ha gli occhi dell’intero mondo automotive puntati, staremo a vederne l’evoluzione. Potrebbe anche solo essere una buonissima attività di marketing per promuovere il loro brand e associarlo a questa nuova tecnologia prima di altri, ma non è detto che arrivino alla mass production.
Ciò che è certo è che le batterie allo stato solido vero e proprio per un utilizzo in ambito automotive sono ancora in una fase sperimentale, con grandi sfide ancora aperte che ad oggi ne limitano la produzione di massa. Sono però tante le case automobilistiche interessate a questa promettente tecnologia, come Mercedes, Volkswagen, Toyota e molte altre, che stanno investendo ingenti risorse nel suo studio e nel suo sviluppo. Saranno proprio loro ad avere a disposizione le prime tecnologie definitive, annunciate già tra il 2024 e il 2026, sempre che i limiti siano risolti.
LA RUBRICA LIVE OGNI LUNEDÌ ALLE 18:00 SUI CANALI LINKEDIN E YOUTUBE DI FLASH BATTERY PER FARE IL PUNTO SUGLI ULTIMI TREND DI ELETTRIFICAZIONE.
Fonte Fig. 1: immagine ispirata al video QuantumScape “What are Solid-State Lithium-Metal Batteries?” https://youtu.be/azACL3lLMo8
Fonte Fig. 2: immagine ispirata al video QuantumScape “What are Solid-State Lithium-Metal Batteries?” https://youtu.be/azACL3lLMo8
Fonte Fig. 3: immagine estratta da articolo “Source of Detrimental Dendrite Growth in Lithium Batteries discovered” – MSE Supplies https://www.msesupplies.com/blogs/news/source-of-detrimental-dendrite-growth-in-lithium-batteries-discovered