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 ultime novità per le batterie allo stato solido 2024
(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 vale oltre 800 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 a stato solido o Solid State Battery (SSB), 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.
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 risultante dalla 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” in massa 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” per le loro auto elettriche.
Toyota sta attivamente promuovendo lo sviluppo di batterie a stato solido e ha dichiarato di aver semplificato la produzione del materiale utilizzato per realizzarli. L’azienda sta anche collaborando con Panasonic su progetti correlati.
Nissan Motor ha annunciato di voler rendere operativa la sua fabbrica di batterie allo 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 prezzo di 75 dollari per kWh a livello di pacchetto. Per scendere a 65 dollari negli anni successivi.
Anche Honda si sta cimentando nell’impresa e a novembre 2024 ha attivato una linea produttiva dimostrativa per le nuove ricaricabili con elettrolita solido. Lo stabilimento ha adottato una tecnica di pressatura a rulli che contribuirà ad aumentare la densità degli strati di elettrolita solido.
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 altri 5 produttori di veicoli elettrici.
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. Inoltre Stellantis sta integrando la tecnologia allo stato solido di Factorial in una flotta dimostrativa di nuovi veicoli Dodge Charger Daytona in commercio dal 2026.
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.
L’avanzata della Cina
A marzo 2024, Pechino ha annunciato lo stanziamento di oltre 830 milioni di dollari in un’iniziativa guidata dal governo per far progredire la tecnologia d’accumulo elettrochimico allo stato solido. Sei aziende sono già in lizza per ricevere i contributi statali tra cui il colosso delle batterie CATL e le case automobilistiche BYD, Geely, FAW e SAIC.
Nel dettaglio, SAIC ha annunciato che inizierà la produzione di massa di SSB di seconda generazione nel 2026 con una densità energetica di 400 Wh/kg (820 Wh/L), e una capacità energetica di 75 Ah.
CATL, il più grande produttore di veicoli elettrici al mondo (quota di mercato del 37,8%), ha dichiarato di voler produrre batterie per veicoli elettrici completamente allo stato solido entro il 2027
A novembre 2024 anche Chery ha affermato di aver avviato la sua linea di produzione di batterie con elettrolita, una gigafactory – la prima a livello mondiale – a Wuhu, che dovrebbe entrare in funzione nei prossimi mesi. Stando alle dichiarazioni dell’azienda, la densità energetica della prima generazione sformata dall’impianto, supererà i 280 Wh/kg. La seconda generazione, che verrà lanciata nel 2025, supererà invece i 400 Wh/kg.
Il prezzo delle batterie a stato solido
Le SSB stanno rapidamente passando dalle celle prototipo a una produzione su scala ingegneristica e gli analisti di settore prevedono elevati costi di produzione iniziali che potrebbero aumentare i prezzi iniziali del prodotto. TrendForce ritiene possibile che, entro il 2030, se la scala delle applicazioni di questa tecnologia dovesse superare i 10 GWh, i prezzi delle celle delle batterie allo stato solido probabilmente scenderanno a circa 0,14 dollari per Wh. Entro il 2035, i prezzi potrebbero Clare ulteriormente a 0,083-0,097 dollari/Wh con una rapida espansione del mercato su larga scala.
Articolo del 2 agosto 2023, aggiornato il 27 novembre 2024
