L'ascesa delle batterie al litio allo stato solido. La strada verso l'elettrificazione

Negli ultimi anni si è assistito a un crescente interesse e sviluppo delle batterie al litio allo stato solido, segnando un'importante pietra miliare sulla strada dell'elettrificazione. Queste batterie offrono una serie di vantaggi rispetto alle batterie al litio tradizionali, come una maggiore densità di energia, una maggiore sicurezza e una maggiore durata.

La struttura di una batteria agli ioni di litio.

L'immagine qui sotto mostra la struttura di una cella agli ioni di litio, la tecnologia oggi utilizzata nella stragrande maggioranza dei veicoli elettrici in circolazione. Cosa stiamo guardando?

Batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio sono una tecnologia avanzata che si compone di quattro componenti principali: anodo, catodo, separatore ed elettrolita.

Ogni cella agli ioni di litio è composta da:

• Due elettrodiIl catodo e l'anodo accettano l'intercalazione di ioni di litio all'interno della loro struttura:
  • A catodo o polo positivo della batteria in materiale catodico (LFP, NMC, LMO, ecc.)
  • A anodo o polo negativo in materiale anodico (carbonio o grafite)

• Il separatore centrale è un sottile strato di polimero plastico (polietilene o polipropilene) che impedisce il contatto diretto tra i due elettrodi, consente il flusso di ioni di litio e funge da isolante.
• L'elettrolita è solitamente una soluzione di sali di litio in un solvente organico, riempie l'intero volume all'interno della cella, impregna gli elettrodi e consente la conduzione degli ioni di litio tra gli elettrodi durante la carica e la scarica della cella. 

Questi componenti sono fondamentali per il funzionamento delle batterie agli ioni di litio e per la loro capacità di immagazzinare e rilasciare energia in modo efficiente.

La struttura di una batteria allo stato solido

La struttura di una batteria allo stato solido è diversa da quella di una batteria agli ioni di litio tradizionale. Invece di utilizzare elettroliti liquidi o gel, le batterie allo stato solido utilizzano elettroliti solidi per facilitare il flusso di ioni di litio.

In una tipica batteria allo stato solido, i componenti principali sono i seguenti:

• Catodo: l'elettrodo positivo della batteria, dove avviene la reazione di riduzione durante la scarica. Nelle batterie allo stato solido, il catodo può essere composto da materiali come ossidi metallici, solfuri o fosfati.
• Anodo: l'elettrodo negativo della batteria, dove avviene la reazione di ossidazione durante la scarica. Come il catodo, l'anodo nelle batterie allo stato solido può essere costituito da materiali come grafite, silicio o litio metallico.
• Elettrolita solido: materiale solido che funge da conduttore ionico nella batteria. L'elettrolita solido consente il trasporto di ioni di litio tra il catodo e l'anodo durante la carica e la scarica. Esempi di elettroliti solidi sono la ceramica, i polimeri conduttivi o i vetri ionici.
• Separatore: uno strato o una membrana posta tra il catodo e l'anodo per evitare il contatto diretto tra di essi e prevenire i cortocircuiti. Il separatore consente inoltre il flusso di ioni di litio mantenendo la separazione fisica tra gli elettrodi.

La struttura di una batteria allo stato solido può variare a seconda del design specifico e dei materiali utilizzati. Tuttavia, la presenza di un elettrolita solido piuttosto che di un elettrolita liquido è la caratteristica principale che distingue le batterie allo stato solido dalle tradizionali batterie agli ioni di litio. Questo approccio mira a migliorare la sicurezza, la densità energetica e la stabilità delle batterie, aprendo nuove possibilità di applicazione nei settori dell'elettronica, della mobilità e dell'accumulo di energia.

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Lo strato centrale grigio di una batteria allo stato solido corrisponde al separatore allo stato solido. Il separatore allo stato solido è un sottile strato solido posto tra il catodo e l'anodo nella struttura della batteria. 

Questo strato separatore allo stato solido svolge un ruolo cruciale nelle prestazioni della batteria, consentendo il movimento degli ioni di litio tra gli elettrodi durante la carica e la scarica. Inoltre, impedendo il contatto diretto tra catodo e anodo, il separatore previene i cortocircuiti e migliora la stabilità e l'efficienza della batteria.

Come funziona una batteria allo stato solido?

Quando la cella viene caricata in una batteria allo stato solido, gli ioni di litio si spostano dal catodo all'anodo attraverso il separatore. Durante questo processo, le particelle di litio attraversano la struttura del separatore e si accumulano tra il separatore stesso e il contatto elettrico dell'anodo, formando uno strato solido di litio puro. In questo modo l'anodo è composto esclusivamente da particelle di litio e ha un volume inferiore rispetto a un anodo della tecnologia agli ioni di litio che utilizza una struttura in grafite.

Quali sono gli attuali punti di forza della tecnologia delle batterie allo stato solido?

Sebbene le batterie allo stato solido siano promettenti in termini di densità energetica, durata e sicurezza, è importante tenere presente che questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo. Ad oggi, le batterie agli ioni di litio rimangono la tecnologia più avanzata e disponibile sul mercato. 

Esistono diverse varianti di batterie agli ioni di litio, ognuna progettata per applicazioni diverse, e vengono prodotte in grandi quantità. Sebbene le batterie allo stato solido abbiano il potenziale per superare le batterie agli ioni di litio in futuro, sono ancora necessari progressi e miglioramenti prima che siano pronte per l'adozione su larga scala.

Detto questo, diamo un'occhiata ai vantaggi delle batterie allo stato solido:

1. Il fattore chiave della sicurezza

Nello sviluppo delle batterie allo stato solido, la sicurezza è un fattore prioritario. Le batterie allo stato solido offrono miglioramenti significativi in termini di sicurezza rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio che utilizzano elettroliti liquidi.

L'uso di elettroliti solidi nelle batterie allo stato solido elimina il rischio di perdite o fuoriuscite di liquidi infiammabili, riducendo in modo significativo il rischio di incendio o esplosione. Inoltre, eliminando i materiali infiammabili, si riduce la possibilità di reazioni chimiche indesiderate che potrebbero compromettere la sicurezza.

Un altro importante vantaggio in termini di sicurezza delle batterie allo stato solido è la loro maggiore resistenza alla formazione di dendriti. I dendriti sono escrescenze metalliche filamentose che possono formarsi nelle batterie agli ioni di litio convenzionali e possono causare cortocircuiti e malfunzionamenti della batteria.

Nelle batterie allo stato solido, la struttura solida dell'elettrolita aiuta a prevenire o limitare la formazione di dendriti. Questo perché l'elettrolita solido offre una maggiore uniformità e stabilità rispetto agli elettroliti liquidi utilizzati nelle batterie convenzionali. Di conseguenza, le batterie allo stato solido hanno una maggiore resistenza ai cortocircuiti e una maggiore durata in condizioni operative estreme.

Tuttavia, è importante notare che la sicurezza delle batterie allo stato solido è ancora in fase di sviluppo e sono necessarie ulteriori ricerche per affrontare le potenziali sfide e garantire un funzionamento sicuro in varie condizioni e applicazioni.

2. Densità energetica record

Le batterie allo stato solido hanno il potenziale per offrire una maggiore densità di energia rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. La densità energetica si riferisce alla quantità di energia che può essere immagazzinata in relazione al volume o alla massa della batteria.

Grazie al loro design e all'uso di materiali avanzati, le batterie allo stato solido sono in grado di immagazzinare una maggiore quantità di energia in uno spazio ridotto. Ciò significa che è possibile ottenere una maggiore capacità di accumulo di energia in dimensioni più compatte, a vantaggio di dispositivi portatili, veicoli elettrici e altre applicazioni in cui lo spazio è limitato.

Secondo studi recenti, le batterie allo stato solido hanno una densità energetica potenzialmente 2-2,5 volte superiore all'attuale tecnologia agli ioni di litio. Questa differenza significativa nella densità di energia consentirebbe lo sviluppo di batterie più leggere e compatte, a vantaggio della mobilità elettrica, grazie alla maggiore autonomia e alla riduzione del peso dei veicoli.

La maggiore densità energetica delle batterie allo stato solido consente di aumentare l'autonomia e l'efficienza dei veicoli elettrici, in quanto possono immagazzinare più energia in uno spazio più ridotto.

3. Tempi di caricamento ultraveloci

Le batterie allo stato solido promettono anche tempi di ricarica ultrarapidi rispetto alle batterie agli ioni di litio convenzionali, fino a sei volte più veloci. Grazie al loro design e alla loro composizione, le batterie allo stato solido possono sopportare velocità di carica più elevate senza subire un degrado significativo.

Ciò significa che i dispositivi e i veicoli dotati di batterie allo stato solido potrebbero essere caricati molto più velocemente, con tempi di ricarica significativamente ridotti rispetto alle batterie attuali. Ciò è particolarmente importante per la mobilità elettrica, dove gli utenti vogliono ridurre al minimo i tempi di inattività e godere di una ricarica rapida e conveniente.

4. Produzione più rapida

Le batterie allo stato solido hanno anche il potenziale per offrire una produzione più rapida rispetto alle tecnologie attuali. Grazie al design semplificato e all'eliminazione dei componenti liquidi, le batterie allo stato solido possono essere prodotte più facilmente e più velocemente.

L'assenza di elettroliti liquidi riduce la complessità del processo produttivo ed elimina la necessità di fasi di riempimento e sigillatura. Ciò può accelerare significativamente la linea di produzione e aumentare l'efficienza complessiva nella produzione di batterie allo stato solido.

Inoltre, le batterie allo stato solido possono offrire una maggiore uniformità e coerenza in termini di prestazioni e caratteristiche. Ciò significa che le proprietà delle singole celle sono meno variabili, il che facilita il processo di abbinamento e assemblaggio delle batterie.

Tuttavia, è importante notare che, sebbene si prevedano miglioramenti nella velocità di produzione, la tecnologia delle batterie allo stato solido è ancora in fase di sviluppo e non ha ancora raggiunto uno stadio di produzione su larga scala. Sono necessarie ulteriori ricerche, sviluppi e ottimizzazioni per garantire una produzione su larga scala rapida ed efficiente di batterie allo stato solido.

Le sfide delle batterie allo stato solido

Sebbene le batterie allo stato solido abbiano il potenziale per rivoluzionare l'industria automobilistica e migliorare l'efficienza dei veicoli elettrici, è importante notare che questa tecnologia è ancora in una fase iniziale di sviluppo e deve affrontare diverse sfide prima di un'adozione diffusa. 

Tuttavia, si prevede che con il tempo e i progressi tecnologici queste limitazioni saranno superate e le batterie allo stato solido diventeranno una realtà in vari campi di applicazione.

1. Problemi di stabilità

Una delle principali sfide che la tecnologia delle batterie allo stato solido deve affrontare è la stabilità a lungo termine. Quando le batterie vengono caricate e scaricate ripetutamente, possono subire un degrado delle prestazioni e della capacità. Nel caso delle batterie allo stato solido, ciò è in parte dovuto all'interazione tra i materiali utilizzati nella struttura della batteria, come gli elettrodi e il separatore.

I materiali utilizzati nelle batterie allo stato solido devono essere sufficientemente stabili da sopportare cicli di carica e scarica senza subire degradazioni significative. Inoltre, devono resistere a reazioni chimiche indesiderate che possono portare alla formazione di dendriti, a cortocircuiti o addirittura a guasti catastrofici.

Per risolvere questi problemi di stabilità, i ricercatori stanno esplorando diversi approcci. Tra questi, il miglioramento dei materiali utilizzati nella struttura della batteria, come la ricerca di elettroliti solidi più stabili e l'ottimizzazione degli elettrodi per ridurre il degrado. Si stanno studiando anche nuovi approcci progettuali e produttivi per migliorare la stabilità e la durata delle batterie allo stato solido.

2. Il separatore funziona solo ad alta temperatura

Nelle batterie allo stato solido, il movimento degli ioni è facilitato dalla presenza di un elettrolita solido che consente la conduzione ionica. Tuttavia, questo elettrolita solido può avere una conducibilità ionica limitata alle basse temperature, il che influisce sulle prestazioni della batteria in condizioni operative normali.

Attualmente, gli elettrodi solidi delle batterie a stato solido funzionano in modo ottimale a temperature superiori a 50 gradi Celsius. Ciò significa che nelle applicazioni reali, in cui le batterie non sono sempre in uno stato caldo, le prestazioni delle batterie possono diminuire in modo significativo.

Per rendere le batterie allo stato solido più praticabili e pratiche, è necessario fare progressi nello sviluppo di materiali elettrolitici solidi in grado di funzionare in modo efficiente a temperature più basse. Ciò consentirebbe di migliorare le prestazioni delle batterie in un intervallo più ampio di temperature e di applicarle in una varietà di dispositivi e veicoli senza limitazioni di temperatura.

Ricercatori e scienziati stanno lavorando allo sviluppo di materiali elettrolitici solidi migliorati in grado di offrire una maggiore conducibilità ionica a temperature più basse. Il superamento di questa sfida consentirà di sfruttare appieno i vantaggi delle batterie allo stato solido e aprirà nuove opportunità per il loro impiego in una serie di applicazioni, tra cui i veicoli elettrici.

3. I cicli di vita sono ancora brevi

Le batterie allo stato solido attualmente in fase di sperimentazione hanno cicli di vita più brevi rispetto ad altre tecnologie agli ioni di litio. 

La sfida principale consiste nell'ottenere un buon contatto tra gli strati delle celle, poiché la perdita di contatto influisce negativamente sulla capacità e sulle prestazioni della batteria. I ricercatori stanno lavorando per migliorare la stabilità degli strati, utilizzando materiali di contatto migliori e tecniche di produzione più precise. 

4. Costo elevato

Una sfida significativa nell'implementazione delle batterie allo stato solido è il loro costo elevato. Poiché questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo e non viene prodotta su larga scala, i materiali e i processi utilizzati per produrre le batterie allo stato solido sono costosi. Inoltre, sono necessari ingenti investimenti in ricerca e sviluppo per migliorare l'efficienza e ridurre i costi di produzione. 

Tuttavia, con il progredire della tecnologia e il raggiungimento di economie di scala, si prevede che i costi delle batterie allo stato solido diminuiranno, rendendole più accessibili e praticabili per una varietà di applicazioni in futuro.

Principali campi di applicazione

Le batterie allo stato solido hanno un'ampia gamma di campi di applicazione. Uno dei settori principali è l'elettrificazione dei trasporti. Queste batterie promettono di aumentare l'autonomia dei veicoli elettrici, ridurre i tempi di ricarica e migliorare la sicurezza. Ciò potrebbe favorire l'adozione di massa dei veicoli elettrici e contribuire alla riduzione delle emissioni di gas serra.

Oltre che per il trasporto, le batterie allo stato solido possono essere utilizzate anche per lo stoccaggio di energia su larga scala. Ciò consentirebbe di integrare in modo più efficace le fonti di energia rinnovabili intermittenti, come l'energia solare ed eolica, nelle reti elettriche, garantendo stabilità e affidabilità.

Nel campo dell'elettronica portatile e dei dispositivi mobili, le batterie allo stato solido potrebbero migliorare significativamente la durata e le prestazioni di smartphone, computer portatili e dispositivi indossabili, offrendo maggiore comodità e autonomia agli utenti.

Queste batterie potrebbero anche favorire i progressi in termini di efficienza e capacità degli elettrodomestici e dei dispositivi elettronici presenti in casa, come gli elettrodomestici intelligenti, i sistemi di accumulo dell'energia domestica e le apparecchiature elettroniche di intrattenimento.

Un altro campo potenziale è quello della tecnologia spaziale, dove le batterie allo stato solido potrebbero essere utilizzate nelle missioni spaziali grazie alla loro maggiore densità energetica, sicurezza e resistenza a condizioni estreme.

Questi sono solo alcuni esempi delle aree di applicazione delle batterie allo stato solido. Con il continuo sviluppo di questa tecnologia e il superamento delle sue sfide, è probabile che si aprano nuove opportunità in diversi settori, e i veicoli elettrici sono uno dei principali motori di questa innovazione.

Conclusione

Sebbene le batterie al litio allo stato solido siano ancora in fase di sviluppo e non siano ampiamente disponibili sul mercato, si prevede che svolgeranno un ruolo importante nell'elettrificazione man mano che verranno perfezionate e diventeranno più accessibili. Il loro potenziale per rivoluzionare l'industria dell'energia e della mobilità è promettente e porterà a un futuro più sostenibile e senza emissioni.