Possono offrire densità di energia più elevate delle batterie a ioni di litio, ma anche consentire una ricarica più rapida e cicli di vita più lunghi senza correre il rischio di andare a fuoco. Ecco perché oggi le batterie "solide" rappresentano la nuova promessa della mobilità elettrica (e non solo). Ma la strada non è priva di ostacoli
Le novità 2023 per le batterie allo stato solido
(Rinnovabili.it) – Sono state definite il Sacro Graal dell’accumulo mobile e “la condanna a morte” dei motori endotermici, ma prima di vederle spopolare a bordo dei veicoli elettrici dovrà passare ancora qualche anno. Parliamo delle batterie allo stato solido, dispositivi di stoccaggio elettrochimico portate alla ribalta dalla ricerca Toyota all’inizio dello scorso decennio. La casa automobilistica giapponese è stata la prima a condurre ampie ricerche sperimentali su questa tipologia di ricaricabili, dando il là ad un nuovo interesse a livello globale che ha coinvolto università, centri di ricerca, startup e aziende. Al punto che oggi il mercato mondiale delle batterie allo stato solido 2023 vale oltre 13 milioni di dollari; e al tasso di sviluppo attuale dovrebbe superare il miliardo entro la fine del 2030. D’altra parte questa tecnologia offre diversi vantaggi rispetto alle tradizionali batterie a ioni di litio essenziali per la buona riuscita dell’e-moblity, ma interessanti per l’energy storage in generale.
Come funziona la batteria allo stato solido?
La Batteria allo stato solido o Solid State Battery, per usare la terminologia inglese, funziona in maniera simile ad una tradizione batteria a ioni di litio. La cella elettrochimica è composta da due elettrodi – un anodo e un catodo – e un elettrolita. Quest’ultimo, tuttavia, anziché essere liquido come succede nelle Li-ion, è solido e agisce anche da separatore (ruolo che nelle batterie al litio è affidato ad una membrana porosa posta al centro della cella). Come elettrolita possono essere usati materiali ceramici, vetro o conduttori superionici solidi. E se al catodo, l’elettrodo positivo, possono essere impiegati i medesimi composti di una Li-ion (es. LFP, NMC, LMO, ecc.), l’anodo può idealmente essere realizzato anche in semplice litio metallico. L’elettrolita solido permette infatti di fare a meno della tradizionale struttura carboniosa (solitamente in grafite) sulla parte anodica, con l’accumulo diretto del metallo sull’elettrodo.
Non cambia nulla invece sul lato del funzionamento: il flusso elettrico viene generato dagli ioni che si muovono attraverso l’elettrolita tra il catodo e l’anodo.
I vantaggi delle batterie allo stato solido
Se confrontata ad una ricaricabile agli ioni di litio convenzionale, la tecnologia d’accumulo al litio metallico a stato solido offre numerosi vantaggi, a cominciare da una maggiore densità di energia. Grazie al litio metallico queste batterie possono immagazzinare una quantità di energia anche fino a 2,5 volte superiore a quelle Li-ion per lo stesso volume, traducendosi di fatto in un dispositivo più leggero e piccolo. Per i veicoli elettrici questo significherebbe un ulteriore passo avanti in termini di autonomia e leggerezza. Non solo. Gli elettroliti solidi sono realizzati con materiali non infiammabili che possono quindi essere utilizzati, in sicurezza, a temperature più elevate. Questa caratteristica incide anche sulla velocità di ricarica, per la quale si segnalano tempi ridotti anche di 6 volte.
Le batterie allo stato solido presentano anche una vita più lunga dal momento che non soffrono della perdita di capacità risultate dalle reazione indesiderata tra il carbonio dell’anodo e l’elettrolita liquido. Infine possono essere realizzate in varie forme. Gli elettroliti liquidi hanno restrizioni strutturali per prevenire eventuali perdite di liquido, problema inesistente nel caso degli elettroliti soldi.
Ma non è tutto oro quello che luccica. La tecnologia deve affrontare ancora parecchie sfide prima di dettare un nuovo standard di settore. Nonostante il basso costo dei materiali, produrre batterie “solide” su larga scala è costoso e richiede processi di produzione ancora difficili da scalare.
Chi produce batterie allo stato solido?
Le sfide ancora aperte non sembrano aver fermato la maggior parte delle principali case automobilistiche. Quasi tutti i grandi nomi dell’automotive, ad eccezione di Tesla, hanno rivelato in questi mesi progetti o partnership di sviluppo dedicati alle “solid battery”.
Toyota sta attivamente promuovendo lo sviluppo di batterie a stato solido e ha dichiarato di aver semplificato la produzione del materiale utilizzato per realizzarli. Sta anche collaborando con Panasonic su progetti correlati. Nissan Motor ha annunciato di voler rendere operativa la sua fabbrica di batterie a stato solido entro il 2025, e ottenere il primo veicolo elettrico prodotto in serie con questa tecnologia d’accumulo entro il 2028. Per lo stesso anno la compagnia mira a raggiungere un costo di 75 $ per kWh a livello di pacchetto.
Anche Honda si sta cimentando nell’impresa ma ad oggi non ha specificato una tempistica per l’arrivo sul mercato.
La start-up statunitense QuantumScape, sostenuta da Bill Gates e Volkswagen, sta lavorando su una Solid-State battery senza anodo. La tecnologia brevettata dalla società permette all’elettrodotto di formarsi in situ alla prima carica. QuantumScape ha dichiarato di avere contratti con sei produttori di veicoli elettrici, tra cui Volkswagen.
E’ della partita anche Automotive Cells Co, un’impresa tra Mercedes-Benz, Stellantis e TotalEnergies. La realtà ha un accordo per sviluppare questa tecnologia con il produttore di batterie taiwanese ProLogium Technology.
Ford e BMW hanno, invece, investito nella startup statunitense Solid Power sta attualmente producendo batterie multistrato con elettroliti solidi da 20 Ah sulla sua linea di produzione continua roll-to-roll. Entrambe le aziende automobilistiche hanno ricevuto celle da 100 Ah per i test di qualificazione e integrazione auto nel 2022. Hyundai Motor, un altro investitore di Solid Power, ha dichiarato di voler produrre in serie batterie a stato solido entro il 2030.
