Scoperta nella Batteria Avvicina le Varianti a Stato Solido di Un Passo alla Realtà

Solid-State Batteries To Achieve EV Domination

While lithium-ion batteries have become the dominant solution for EV battery systems, they suffer from a few limitations.

Mentre le batterie al litio‑ionico sono diventate la soluzione dominante per i sistemi di batterie dei veicoli elettrici, presentano alcune limitazioni.

Una di queste è una densità energetica ancora non eccellente, e un’altra è un problema di sicurezza legato alla crescita dei dendriti che perforano la batteria e all’elettrolita che a volte prende fuoco.

Fonte: Nobel Prize

Entrambi i problemi dovrebbero essere mitigati con le batterie a stato solido, che eliminano la necessità di elettroliti e il rischio di dendriti.

Toyota prevede l’uso di queste batterie a stato solido entro il 2027, e in generale, sembra un candidato solido per il futuro della mobilità.

Tuttavia, persiste qualche problema, in particolare con l’elettrolita solido di tipo granato, noto anche come Li7La3Zr2O12 o LLZO (vedi sotto).

È quindi una buona notizia che quattro ricercatori dell’Università McGill in Canada abbiano annunciato di aver creato un nuovo design LLZO in grado di fornire una maggiore quantità di energia. Hanno pubblicato i risultati su Cell Reports Physical Science in un articolo intitolato “4.8‑V batterie a stato solido basate su granato al litio‑metallo con interfaccia stabile“.

Solid-State Electrolyte

LLZO

Di solito si dice che le batterie a stato solido non necessitano di elettroliti. Questo è tecnicamente corretto quando ci si riferisce all’elettrolita liquido comunemente usato nelle batterie al litio‑ionico.

Ma, naturalmente, qualsiasi batteria ha comunque bisogno di una sorta di ponte tra l’anodo e il catodo per funzionare. Esistono tre tipi di elettroliti a stato solido (SE): ceramici, polimerici e SE compositi (CSE).

Gli elettroliti a stato solido compositi (CSE) mescolano SE polimerici con riempitivi inorganici conduttori ionici come Li7La3Zr2O12 (LLZO) per facilitare il trasporto di ioni di litio.

Sebbene questo metodo sia ideale per il funzionamento ad alta tensione in batterie dense, soffre di un contatto scadente con l’elettrodo, riducendo l’efficienza complessiva.

Porous LLZO

Ciò che i ricercatori hanno scoperto è che il LLZO può essere realizzato con una membrana ceramica porosa, invece della consueta piastra densa. In termini più tecnici:

Qui, progettiamo un elettrolita solido composito a base di granato altamente conduttivo e amichevole per l’interfaccia, comprendente una struttura porosa cubica Li6.1Al0.3La3Zr2O12 e poli (difluoruro di vinilideno) (PVDF) con una struttura continua tridimensionale.

Visivamente, si traduce in una struttura 3D molto complessa piena di piccoli fori su scala microscopica:

Fonte: Cell

Ciò crea un’ampia superficie di contatto per gli ioni di litio, mantenendo al contempo una forte adesione all’elettrodo.

Fonte: Cell

More Stable & Durable Batteries

Le batterie a stato solido sono complessivamente molto più potenti e ad alta densità energetica rispetto alle batterie al litio‑ionico. Tuttavia, è stato difficile produrle su larga scala in modo che possano durare molti cicli di carica‑scarica senza perdere capacità.

Pertanto, i ricercatori hanno testato le batterie per verificare se l’interfaccia elettrodica creata fosse robusta come previsto.

Dopo 200 cicli, l’hanno esaminata al microscopio e non hanno riscontrato tracce di degrado, come crepe, delaminazione, ecc.

Fonte: Cell

Nel complesso, il prototipo di batteria dimostra un’eccellente resistenza, soprattutto contro la formazione di dendriti.

Le celle simmetriche Li‑Li basate sul CSE ceramico possono ciclarsi stabilmente per 1.000 h a 0,1 e 0,5 mA cm−2, indicando un’eccellente stabilità elettrochimica contro il litio metallico e persino la deposizione di Li+ (soppressione dei dendriti).

Better Safety Profile

La drastica riduzione della formazione di dendriti, così come l’assenza di elettroliti infiammabili, dovrebbe contribuire ad aumentare significativamente la sicurezza delle batterie al litio.

Poiché lo spessore del CSE basato su ceramica è di soli 125 μm, questa tecnologia risulta anche molto competitiva per creare batterie a stato solido ad altissima densità energetica.

Va anche notato che, sebbene non sia semplice, la tecnica usata per creare il LLZO migliorato non richiede metalli rari, macchinari rari o passaggi complessi fuori dall’ordinario nella produzione di batterie.

Fonte: Cell

Nel complesso, questo dovrebbe rappresentare un passo importante per migliorare ulteriormente le caratteristiche delle batterie a stato solido in tutti gli aspetti fondamentali: stabilità, sicurezza, densità energetica e facilità di produzione.

Are Solid State Batteries Winning?

Non si può affermare che le batterie a stato solido diventeranno sicuramente il nuovo standard per le batterie dei veicoli elettrici nei prossimi anni.

Le batterie al litio‑ionico potrebbero comunque competere. Questo è principalmente legato al miglioramento del design, con nanopori simili che aiutano a ridurre la formazione di dendriti.

In particolare, le batterie a nido d’ape sviluppate dal leader globale nella produzione di batterie CATL potrebbero raggiungere un profilo di sicurezza e una densità energetica simili a quelle di alcune batterie a stato solido.

Nel complesso, sembra che una comprensione più profonda del materiale delle batterie, soprattutto a livello micro‑ e nano‑scala, e l’uso dei nanopori saranno la via da seguire per continuare a migliorare le prestazioni delle batterie e eliminare definitivamente il rischio causato dalla formazione di dendriti.

Investing Into Battery Tech

Le batterie al litio hanno già cambiato il mondo più volte, consentendo alle persone di portare ovunque dispositivi elettronici avanzati e alimentando le auto esclusivamente con elettricità.

Potrebbero farlo di nuovo, o altri tipi di batterie, consentendo una rete elettrica al 100 % rinnovabile o l’elettrificazione degli aerei quando si raggiunge una densità energetica sufficientemente alta.

Puoi investire in società legate alle batterie tramite molti broker, e qui, su securities.io, trovi le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli USA, in Canada, in Australia, nel Regno Unito, così come in molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere società specifiche nel settore delle batterie, puoi anche considerare gli ETF biotech come Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), l’ETF Lithium & Battery Tech (LIT) di Global X, o l’ETF WisdomTree (WT ) Battery Solutions UCITS, che offriranno un’esposizione più diversificata per capitalizzare sulla crescita dell’industria delle batterie.

Solid State Companies

Da tempo attesa come una delle prime aziende a portare le batterie a stato solido sul mercato, QuantumScape (QS ) è stata in prima linea nello sviluppo di questa tecnologia.

Le batterie QuantumScape utilizzano litio metallico, batterie senza anodo.

Le batterie senza anodo, invece, immagazzinano gli ioni in un deposito elettrochimico di metallo alcalino direttamente sul collettore di corrente. Ciò consente una tensione di cella più alta, un costo di cella più basso e una maggiore densità energetica.

Fonte: QuantumScape

(abbiamo anche discusso il concetto di batterie senza anodo nel contesto delle batterie al sodio in “Anode-Free Sodium Solid-State Batteries Could Reduce Reliance on the ‘Lithium Triangle’”).

QuantumScape ha comunque ritardato regolarmente la data prevista per la produzione di massa delle sue batterie, attenuando l’entusiasmo iniziale degli investitori per l’azienda.

Questo potrebbe cambiare con alcuni sviluppi chiave nel 2023 & 2024:

• Miglioramento della coerenza e della qualità della produzione.
• Miglioramento del design del packaging, inclusi margini interni più stretti, collettori di corrente più sottili e una struttura più snella.
• Spediti unità a elevato carico di catodo a partner OEM (Original Equipment Manufacturer) del settore automobilistico.
• Annunciato il lancio di QSE-5, il primo prodotto commerciale dell’azienda, con un potenziale cliente di lancio nel settore automobilistico.

Nel complesso, QuantumScape sembra di gran lunga l’azienda di stato solido con la tecnologia più matura, soprattutto per quanto riguarda la durabilità della batteria.

Fonte: QuantumScape

Deal With Volkswagen

Ancora più importante, l’azienda sta mostrando reali progressi nell’instaurare una partnership con Volkswagen, il ² più grande costruttore automobilistico al mondo.

Nel luglio 2024, QuantumScape ha firmato con Volkswagen un accordo per collaborare nella produzione di celle batteria basate sul design QSE-5.

La licenza consentirebbe a PowerCo di produrre e vendere batterie automobilistiche fino a 40 GWh all’anno, espandibile di ulteriori 40 GWh.

Si tratta di una licenza IP non esclusiva, con royalty, che permette a QuantumScape di continuare a vendere a qualsiasi altro potenziale cliente.

Forse più importante per alleviare le preoccupazioni degli investitori sull’azienda, fornirà anche una commissione royalty iniziale di $130M, accreditata contro le royalty future, pagata da PowerCo, la controllata delle batterie di Volkswagen.

Ciò concede all’azienda ulteriori 18 mesi di liquidità rispetto alle indicazioni precedenti, estendendo la previsione fino al 2028.

Dovrebbe essere più che sufficiente per aumentare la produzione e iniziare a registrare ricavi solidi.

Quindi, finché le batterie QuantumScape funzioneranno adeguatamente, dovrebbero riuscire a trovare il loro spazio nel mercato accanto a batterie prodotte da aziende più grandi come CATL, BYD e Panasonic.

Considerando che Volkswagen ha probabilmente testato ampiamente i propri prototipi QuantumScape e studiato l’aumento della produzione, il recente accordo sembra un solido endorsement della tecnologia dell’azienda.

Fonte: QuantumScape

Inoltre, la scadenza parallela del 2027 di Toyota per la commercializzazione delle batterie a stato solido sembra indicare che, dopo molti falsi inizi, la tecnologia sta ora raggiungendo un punto in cui è sufficientemente matura.