Energia
Accelerare le Scoperte delle Batterie a Stato Solido con l’IA
Il mondo in rapida crescita della tecnologia delle batterie dovrebbe valere oltre $100 miliardi nei prossimi anni, grazie all’adozione crescente dei veicoli elettrici (EV), all’installazione di varie batterie e all’alimentazione dei data center.
Tra i diversi tipi di batterie, le litio‑ion sono le più popolari, rappresentando una quota di mercato enorme del 44%. Batterie Li‑ion sono batterie ricaricabili che sono le più comunemente usate nel mondo odierno, alimentando i nostri telefoni cellulari, laptop e altri dispositivi elettronici di consumo oltre a EV e sistemi di accumulo energetico.
Mentre le batterie litio‑ion offrono molti vantaggi in termini di leggerezza, alta conduttività e alta densità energetica, presentano problemi di durata. La sicurezza è un’altra grande sfida poiché contengono un elettrolita liquido e volatile, che può prendere fuoco se danneggiato o surriscaldato.
Di conseguenza, le batterie a stato solido (SSB) sono emerse come alternativa alle batterie a stato liquido (LSB), che utilizzano elettroliti solidi per evitare perdite o fuoriuscite di gas.
Oltre a una maggiore sicurezza, tali batterie offrono anche i vantaggi della miniaturizzazione, leggerezza, ricarica più rapida, eccellente efficienza di imballaggio, funzionamento su un’ampia gamma di temperature e lunga durata di conservazione.
Le batterie a stato solido non sono una scoperta recente. Sono state introdotte per la prima volta nel XIX secolo, ma nonostante esistano da così tanto tempo, non hanno ottenuto un’applicazione diffusa. Questo sta finalmente cambiando con la crescente tendenza all’elettrificazione e la necessità di alternative migliori e più sicure alle batterie Li‑ion ampiamente adottate.
Nel contesto del rinnovato interesse per la tecnologia, i ricercatori stanno ottimizzando le batterie a stato solido attraverso un approccio multifaccettato che si concentra su materiali, struttura e progettazione dell’interfaccia, oltre a utilizzare tecniche di IA guidate dai dati.
Lavori in corso per migliorare le SSB
I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando intensamente per comprendere e migliorare le batterie a stato solido per alimentare il futuro. Alcuni studi recenti e importanti condotti in questo campo sono i seguenti:
Decodificare le SSB
I ricercatori dell’Università del Missouri hanno approfondito la comprensione dei problemi delle batterie a stato solido e i modi per superarli, per aiutare le SSB a diventare una realtà.
Hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione 4D (STEM) per analizzare la struttura atomica della batteria senza smontarla e hanno scoperto che lo strato di interfaccia è la fonte del problema.
Nelle SSB, un elettrolita solido a contatto con il catodo provoca una reazione che forma uno strato di interfaccia spesso 100 nm. Sebbene questo strato sia 1.000 volte più sottile di un singolo capello, blocca il trasferimento fluido di ioni di litio ed elettroni, aumentando la resistenza e compromettendo le prestazioni della batteria.
Avendo fatto questa scoperta, il professore assistente Matthias Young sta ora pianificando di testare se la specializzazione del suo laboratorio, film sottili creati tramite un processo chiamato deposizione ossidativa a strato molecolare (oMLD), possa formare rivestimenti protettivi e aiutare a prevenire la reazione tra l’elettrolita solido e i materiali del catodo.
“I rivestimenti devono essere sufficientemente sottili da prevenire le reazioni ma non così spessi da bloccare il flusso degli ioni di litio,” ha detto. “Miriamo a mantenere le caratteristiche ad alte prestazioni dell’elettrolita solido e dei materiali del catodo. Il nostro obiettivo è utilizzare questi materiali insieme senza sacrificare le loro prestazioni per ragioni di compatibilità.”
Esplorare il potenziale di LLZO come elettrolita solido nelle SSLMB
Uno studio recente di ricercatori dell’Università di Tohoku ha valutato gli elettroliti solidi di tipo granato per le batterie al litio metallico a stato solido (SSLMB), considerate una tecnologia promettente per il loro potenziale di migliorare le prestazioni energetiche e la sicurezza.
Ha scoperto che i vantaggi di densità energetica attesi da queste batterie potrebbero in realtà essere sopravvalutati.
Secondo questo studio, una batteria al litio metallico completamente a stato solido (ASSLMB) con il principale candidato elettrolita solido LLZO (ossido di litio, lantanio e zirconio) offre solo un aumento marginale della densità energetica rispetto alle attuali batterie Li‑ion, comportando al contempo alti costi di produzione e sfide di fabbricazione.
Secondo lo studio, l’ASSLMB raggiungerebbe una densità energetica gravimetrica di 272 Wh/kg rispetto ai 250‑270 Wh/kg delle Li‑ion, rendendo gli elettroliti quasi a stato solido alternative più praticabili.
“Le batterie al litio metallico completamente a stato solido sono state viste come il futuro dell’accumulo di energia, ma il nostro studio mostra che i progetti basati su LLZO potrebbero non fornire il salto di densità energetica previsto. Anche in condizioni ideali, i guadagni sono limitati e i costi e le sfide di produzione sono significativi.”
– Autore principale dello studio Eric Jianfeng Cheng del WPI‑AIMR, Università di Tohoku
Pur essendo apprezzato per la sua conduttività ionica e stabilità, una modellazione completa di una batteria pratica basata su LLZO ha messo in dubbio l’idea che aumenti notevolmente la densità energetica. Anche con un separatore ceramico LLZO ultrafine e un catodo ad alta capacità, lo studio rileva che le prestazioni della batteria sono solo leggermente migliori rispetto alle migliori celle al litio‑ion convenzionali.
La densità di LLZO è il problema principale, poiché aumenta la massa della cella e riduce i benefici energetici attesi. Inoltre, c’è la fragilità del materiale, i problemi con i dendriti di litio, le difficoltà nella fabbricazione di fogli sottili privi di difetti e i vuoti all’interfaccia, tutti fattori che complicano l’implementazione su larga scala. Secondo Cheng:
“LLZO è un materiale eccellente dal punto di vista della stabilità, ma le sue limitazioni meccaniche e il peso aggiuntivo creano seri ostacoli alla commercializzazione.”
Qui, la combinazione del materiale con elettroliti a base di gel o polimeri ha mostrato una migliore stabilità a lungo termine.
Scoprire elettroliti solidi promettenti
I ricercatori della Tokyo University of Science hanno anche scoperto nuovi materiali per SSLIB sicuri e ad alte prestazioni.
“Realizzare batterie secondarie al litio‑ion completamente a stato solido è stato un sogno a lungo coltivato da molti ricercatori di batterie,” ha detto il professor Kenjiro Fujimoto, che ha osservato che hanno scoperto un elettrolita solido ossido, componente chiave delle ASSLIB.
Il materiale (Li1.25La0.58Nb2O6F) è altamente stabile e mostra una conduttività ionica totale di 3,9 mS cm⁻¹ a temperatura ambiente, superiore a quella degli elettroliti solidi ossido precedentemente segnalati, con un’energia di attivazione estremamente bassa.
Inoltre, se danneggiato, non si incendierà, rendendo il nuovo materiale adatto a applicazioni in cui la sicurezza è fondamentale. È utilizzabile a temperature elevate e supporta la ricarica rapida, rendendolo appropriato per applicazioni ad alta capacità come i veicoli elettrici.
“L’applicazione di questo materiale è promettente per lo sviluppo di batterie rivoluzionarie che possono operare in un’ampia gamma di temperature, da basse a elevate.”
– Prof. Fujimoto
Nel frattempo, alla fine dello scorso anno, i ricercatori dell’Università Metropolitana di Osaka hanno sviluppato Na2.25TaCl4.75O1.25 come nuovo elettrolita solido.
I ricercatori avevano precedentemente sviluppato l’elettrolita solido NaTaCl6, una combinazione di cloruro di sodio e cloruro di tantalio. Questa volta, il team ha aggiunto pentossido di tantalio (Ta2O5), il che ha permesso di ottenere alta conduttività a temperatura ambiente.
Presenta anche alta formabilità e una maggiore stabilità elettrochimica rispetto ai cloruri convenzionali.
“I risultati di questa ricerca dovrebbero dare un contributo significativo allo sviluppo di elettroliti solidi compositi, oltre ai elettroliti solidi vetrosi e cristallini sviluppati finora.”
– Assistente Professore Kota Motohashi della Graduate School of Engineering
Ora si stanno concentrando sull’illustrazione del meccanismo di conduzione ionica degli elettroliti solidi compositi e sullo sviluppo di ulteriori materiali.
Modificare la struttura, rimuovere i componenti
I ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana‑Champaign, nel frattempo, hanno scoperto che la struttura elicoidale aumenta significativamente la conduttività degli elettroliti polimerici peptidici a stato solido rispetto ai corrispondenti a “bobina casuale”, con eliche più lunghe che portano a una maggiore conduttività. Inoltre, la struttura elicoidale aumenta la stabilità complessiva del materiale rispetto a tensione e temperatura.
“Abbiamo introdotto il concetto di utilizzare la struttura secondaria – l’elica – per progettare e migliorare la proprietà materiale di base della conduttività ionica nei solidi.”
– Professore capo dello studio Chris Evans
Questa è la stessa elica presente nei peptidi in biologia. Essendo composta da peptidi, una volta che la batteria raggiunge la fine della sua vita utile, il materiale può essere degradato nuovamente in unità monomeriche individuali usando acidi o enzimi, e i materiali di partenza possono essere recuperati e riutilizzati, rendendola ecologica.
In un altro interessante studio, i ricercatori hanno creato la prima batteria al sodio a stato solido senza anodo con ciclaggio stabile per diverse centinaia di cicli. La batteria economica, ad alta capacità e ricarica rapida può contribuire a decarbonizzare l’economia.
Rimuovere l’anodo ha richiesto un’architettura innovativa, così il team ha creato un collettore di corrente usando polvere di alluminio, che, pur essendo solido, può fluire come un liquido, e che circondava l’elettrolita.
“Le batterie al sodio a stato solido sono generalmente viste come una tecnologia del futuro lontano, ma speriamo che questo articolo possa stimolare ulteriori sforzi nel settore del sodio dimostrando che può effettivamente funzionare bene, talvolta anche meglio della versione al litio.”
– Primo autore Grayson Deysher, candidato PhD presso UC San Diego
È il momento di usare l’IA per trovare rapidamente i migliori candidati elettroliti solidi
Nel contesto di questa vasta ricerca in corso su diversi aspetti delle batterie a stato solido, in particolare gli elettroliti, per migliorarle e favorire la loro adozione, gli scienziati stanno ora utilizzando l’intelligenza artificiale.
L’elettrolita è uno dei componenti più cruciali della batteria. Trasferisce le particelle cariche chiamate ioni avanti e indietro tra i due elettrodi della batteria, provocando la carica e la scarica.
Pertanto, l’attenzione è rivolta al miglioramento delle prestazioni dell’elettrolita a stato solido (SSE), che comporta l’aumento della conduttività ionica, della stabilità e della durata del ciclo. Tuttavia, le limitazioni dei materiali attuali hanno reso difficile raggiungere questi miglioramenti.
Superare queste sfide richiede lo sviluppo di materiali SSE ad alte prestazioni, che sbloccheranno il pieno potenziale delle batterie a stato solido.
Gli ossidi metallici e i solfuri sono alcuni dei materiali più studiati come promettenti SSE. Qui, esaminare gli idruri come SSE che mostrano alta stabilità redox e meccanica e una conduttività ionica divalente media a temperatura ambiente è particolarmente vantaggioso.
Con la loro alta conduttività ionica e bassa energia di attivazione, gli idruri hanno mostrato grandi promesse nello sviluppo di SSE. Gli idruri metallici, nel frattempo, offrono vantaggi distinti grazie alla leggera massa degli atomi di idrogeno.
Tuttavia, il peso leggero dell’idrogeno e il comportamento complesso degli idruri divalenti presentano sfide nella sintesi e nella caratterizzazione strutturale, evidenziando le limitazioni delle tecniche sperimentali attuali.
La sfida qui è che la scoperta sperimentale di SSE dipende da metodi di prova‑e‑errore inefficienti e dispendiosi in termini di tempo. Per affrontare ciò, è necessaria una ricerca assistita dal calcolo per comprendere i meccanismi di migrazione ionica e scoprire nuovi elettroliti a stato solido.
Il punto è che gli approcci teorici tendono a offrire modi più sistematici e rapidi per esplorare le proprietà dei materiali. Inoltre, i progressi nei grandi modelli linguistici (LLM) stanno ulteriormente migliorando le metodologie basate sui dati e le previsioni teoriche.
Tuttavia, ottenere alta accuratezza nei metodi teorici è difficile a causa della complessità dei materiali SSE. Il focus della ricerca attuale su un singolo materiale o metodo limita anche la comprensione completa delle SSE.
Quindi, come possiamo utilizzare meglio le intuizioni teoriche per progettare esperimenti più efficienti? Inoltre, quale tipo di flusso di lavoro ottimale combina senza soluzione di continuità la modellazione teorica con la validazione sperimentale? La risposta risiede nella combinazione di informazioni computazionali ed esperimentali.
Per superare gli ostacoli con le SSE divalenti, che mostrano notevole promessa per batterie a stato solido ad alte prestazioni (ASSB), i ricercatori in un nuovo studio hanno sviluppato un flusso di lavoro integrato che combina data mining, analisi guidata dall’IA, regressione di machine learning, ricerca globale di strutture, simulazioni di metadinamica ab initio (MetaD) e benchmarking teoria‑esperimento.
Questa ricerca mira a migliorare la nostra comprensione delle SSE divalenti e a fornire un quadro solido per prevedere e progettare nuovi candidati SSE. Di conseguenza, accelererà la scoperta di opzioni SSE ottimizzate per avanzare tecnologie di accumulo energetico fattibili.
Verso le SSB di nuova generazione per soluzioni energetiche sostenibili
Per costruire con successo batterie a stato solido più potenti e sostenibili, i ricercatori dell’Università di Tohoku hanno costruito un quadro IA guidato dai dati1.
A differenza dell’approccio tradizionale, che prevede il test di ogni materiale e la definizione di percorsi uno alla volta, questo quadro identifica potenziali candidati elettroliti a stato solido (SSE) che potrebbero essere “quello giusto” per creare la soluzione energetica sostenibile ideale.
Il modello sviluppato non solo seleziona i candidati ottimali, ma può anche prevedere come avverrà la reazione. Inoltre, spiega perché un determinato candidato è una buona scelta fornendo approfondimenti sui potenziali meccanismi, aiutando i ricercatori a iniziare anche prima di entrare in laboratorio.
Il professor Hao Li dell’Advanced Institute for Materials Research ha osservato:
“Il modello essenzialmente esegue per noi tutto il lavoro di prova‑e‑errore. Attrae da un ampio database di studi precedenti per cercare tra tutte le opzioni potenziali e trovare il miglior candidato SSE.”
Il avanzato quadro IA del team si integra con il Large Language Model (LLM), un tipo di modello di apprendimento automatico pre‑addestrato su enormi quantità di dati. I LLM sono noti per la loro grande capacità di elaborare, comprendere e generare linguaggio umano.
Incorporando altre tecniche guidate dai dati, il modello predittivo attinge sia a dati computazionali sia sperimentali. In questo modo, lo studio fornisce ai ricercatori un’opzione solida con il risultato più promettente.
Oltre ad aiutare ad accelerare lo sviluppo di batterie a stato solido ad alte prestazioni e sostenibili, lo studio mira anche a comprendere le complesse relazioni struttura‑prestazione delle SSE. Questa relazione copre fattori come la conduttività ionica, la stabilità e la compatibilità con gli elettrodi ed è spesso investigata tramite modellazione computazionale, analisi sperimentale e approcci guidati dai dati.
Il modello costruito dal team prevede inoltre le energie di attivazione, individua la struttura cristallina stabile e migliora il flusso di lavoro complessivo dei ricercatori. I risultati dello studio mostrano che MetaD è un metodo computazionale eccellente, dimostrando una notevole corrispondenza con i dati sperimentali per SSE idruri complessi.
I ricercatori hanno anche identificato un nuovo sistema di trasferimento di ioni. Il meccanismo “a due fasi” è stato scoperto in entrambi gli SSE derivanti dall’integrazione di molecole neutre.
Quindi, combinando l’analisi delle caratteristiche con la regressione lineare multipla, il team è riuscito a sviluppare con successo modelli predittivi precisi per la valutazione rapida delle prestazioni degli SSE idruri. Ancora più importante, il quadro consente previsioni accurate delle strutture candidate senza dipendere da input sperimentali.
Nel complesso, lo studio fornisce grandi approfondimenti e metodologie avanzate per la progettazione efficiente e l’ottimizzazione delle batterie a stato solido di nuova generazione.
Ma questi sono solo i primi passi verso la costruzione di soluzioni energetiche sostenibili, con il team che prevede di estendere l’applicazione del loro quadro a diverse famiglie di elettroliti. Il team si aspetta che gli strumenti di IA generativa siano utili per investigare i percorsi di migrazione ionica e i meccanismi di reazione, migliorando la capacità predittiva della piattaforma.
Investire nel mercato delle batterie a stato solido
Per quanto riguarda un’azienda investibile nel mercato in crescita delle batterie a stato solido, QuantumScape è in prima linea, come attore principale con un focus sulla tecnologia al litio‑metal. Il suo separatore ceramico a stato solido proprietario è progettato per migliorare la densità energetica, la velocità di ricarica e la sicurezza, prevenendo problemi critici come la formazione di dendriti, che ha limitato l’adozione dell’anodo al litio‑metal.
QuantumScape Corporation (QS )
Sviluppando la tecnologia SSB per i veicoli elettrici e puntando a diventare un produttore di apparecchiature originali (OEM), QuantumScape Corporation ha già assicurato partnership con il grande costruttore automobilistico Volkswagen Group e la sua controllata, PowerCo.
Pur affrontando sfide nella commercializzazione, QuantumScape rimane un nome importante nel settore. L’anno scorso ha iniziato a produrre campioni dei suoi vari prodotti SSB e prevede di produrne ancora di più quest’anno.
(QS )
Con una capitalizzazione di mercato di $2,2 miliardi, le azioni QS sono attualmente quotate a $3,90, in calo di oltre il 25% YTD. Il suo EPS (TTM) è -0,91 e il P/E (TTM) è -4,30.
Per il Q1 2025, l’azienda ha riportato $5,8 milioni di spese in conto capitale, spese operative GAAP di $123,6 M e una perdita netta GAAP di $114,4 M. Ha chiuso il trimestre con $860,3 milioni di liquidità, con la durata della cassa prevista fino alla seconda metà del 2028.
Quest’anno, l’azienda mira a portare il processo del separatore Cobra nella produzione di base, migliorare la qualità e la produzione dei campioni QSE‑5 e spedire celle QSE‑5 per dimostrare le sue eccezionali capacità di prestazione in un’applicazione reale.
Ultime notizie su QuantumScape Corporation
Conclusione
Con le batterie che svolgono un ruolo chiave nell’alimentare elettronica, veicoli elettrici e sistemi energetici, è necessaria lo sviluppo di materiali energetici di nuova generazione per creare un futuro sostenibile. Sebbene le batterie a stato solido offrano una soluzione promettente, il loro sviluppo affronta sfide tecniche significative. Ciò di cui ha bisogno lo sviluppo delle SSB è migliorare le prestazioni dell’elettrolita a stato solido (SSE).
Pertanto, la ricerca intensa intorno alle SSE, che è pronta ad accelerare a un ritmo maggiore grazie al nuovo modello IA guidato dai dati. Alimentato da enormi set di dati e tecniche di simulazione avanzate, il quadro aiuta i ricercatori a identificare e ottimizzare le SSE con velocità e precisione senza precedenti. Questa convergenza tra scienza dei materiali e apprendimento automatico dimostra un enorme potenziale nel fornire soluzioni di batterie a stato solido ad alte prestazioni e sostenibili per alimentare il futuro dell’energia pulita.
Clicca qui per un elenco delle principali azioni di batterie a stato solido.
Studi citati:
1. Wang, Q., Yang, F., Wang, Y., Zhang, D., Sato, R., Zhang, L., Cheng, E. J., Yan, Y., Chen, Y., Kisu, K., Orimo, S., & Li, H. (2025). Svelare la complessità degli elettroliti idruri divalenti nelle batterie a stato solido tramite un quadro guidato dai dati con grandi modelli linguistici. Angewandte Chemie International Edition, 64(22), e202506573. https://doi.org/10.1002/anie.202506573
