Sostenibilità

Come la Tecnologia di Batterie a Stato Solido di Princeton Potrebbe Trasformare lo Stoccaggio di Energia

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La Batteria Definitiva

Man mano che le batterie sono diventate la base dei gruppi propulsori dei veicoli elettrici, le loro prestazioni e il profilo di sicurezza sono migliorati. Finora, ciò è stato ottenuto con varianti di batterie al litio, sia al litio‑ione (lithium‑nickel‑manganese NMC e lithium‑nickel‑cobalt‑aluminum NCA) sia al litio‑ferro‑fosfato (LFP). È stata una tecnologia trasformativa che giustamente ha meritato ai suoi inventori il Premio Nobel per la Chimica 2019 (segui il link per la storia dell’invenzione delle batterie al litio‑ione).

Fino ad ora, si prevedeva che queste batterie continuassero a dominare il mercato delle batterie, grazie alla loro estremamente alta densità energetica.

Fonte: S&P Global

Tuttavia, esiste un limite a quanta energia le batterie al litio‑ione classiche possono contenere. Per questo motivo i ricercatori stanno esplorando altre opzioni, tra le quali una delle più promettenti è rappresentata dalle batterie a stato solido.

Si prevede che le batterie a stato solido siano più sicure, più dense di energia e più durevoli rispetto alle tradizionali batterie al litio‑ione. Tuttavia, sono molto difficili da produrre in modo affidabile su larga scala a costi contenuti, il che ha rallentato la loro adozione.

Questo potrebbe cambiare, e nuove intuizioni su cosa causa il fallimento delle batterie a stato solido provengono da ricercatori dell’Università di Princeton, della Purdue University, dell’Università del Michigan e del Brookhaven National Laboratory.

Hanno pubblicato le loro scoperte più recenti in due articoli scientifici su Advanced Energy Materials¹ e ACS Energy Letters², rispettivamente, con i titoli “Lithium Kinetics in Ag–C Porous Interlayer in Reservoir-Free Solid-State Batteries” & “Filament-Induced Failure in Lithium-Reservoir-Free Solid-State Batteries”.

Hanno inoltre analizzato lo stato dell’arte della scienza delle batterie riguardo alle batterie senza anodo e l’hanno pubblicato su Nature Materials³, con il titolo “Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries”.

Batteria a Stato Solido Senza Anodo

L’idea delle batterie a stato solido è di sostituire l’elettrolita liquido nelle batterie al litio‑ione con uno strato di metallo solido. Questa è la principale fonte di guadagno di efficienza, poiché gli elettroliti sono pesanti e voluminosi.

Ciò migliora anche il profilo di sicurezza, poiché i solventi dell’elettrolita sono solitamente infiammabili, creando rari ma spettacolari incendi di batterie che hanno conferito una cattiva reputazione ai primi veicoli elettrici.

Un altro passo è stato esplorato recentemente dai ricercatori, rimuovendo completamente metà della batteria. Le batterie sono composte da un catodo e un anodo, ciascuno con una carica elettrica diversa.

Le batterie senza anodo rinunciano completamente alla necessità di un anodo,

“Invece, gli ioni fluiscono dal catodo positivo direttamente al collettore di corrente all’estremità opposta della batteria. Gli ioni poi si depositano sul collettore di corrente stesso, formando uno strato metallico sottile mentre la batteria si carica.”

Nella loro analisi della tecnologia senza anodo odierna, i ricercatori di Princeton sostengono che il problema principale per far progredire ulteriormente la tecnologia è una scarsa comprensione dell’effetto meccanico del ciclo di carica‑scarica, più che delle reazioni chimiche.

I meccanismi che governano il ciclo di carica‑scarica delle batterie senza anodo sono in gran parte controllati da fenomeni elettro‑chemo‑meccanici alle interfacce solido‑solido, e vi sono importanti differenze meccaniche rispetto alle batterie convenzionali a eccesso di litio.

Sfide delle Batterie a Stato Solido

In una batteria classica, il collegamento agli elettrodi (anodo e catodo) è relativamente semplice, poiché l’elettrolita è in forma liquida. In una batteria a stato solido, il metallo solido deve rimanere perfettamente a contatto con il collettore di corrente.

Se questo non è perfettamente uniforme, le aree con buon contatto diventano punti caldi, mentre le aree con scarso contatto formano vuoti.

Per capire perché ciò accade, i ricercatori devono avere una comprensione perfetta del complesso processo che avviene durante la carica e la scarica della batteria. Non è solo un fenomeno chimico, ma anche meccanico, con il materiale che cambia forma leggermente nel tempo.

Nel primo articolo, hanno scoperto che la pressione può svolgere un ruolo importante nel modo in cui il metallo a stato solido reagisce.

Problemi a Bassa Pressione

La microscopia elettronica a scansione rivela come il litio aumenti il contatto superficiale con l’aumentare della pressione. Ciò significa che una pressione troppo bassa non è sufficiente a migliorare il contatto irregolare causato da quelle irregolarità superficiali.

In definitiva, la placcatura non uniforme ha portato alla formazione di filamenti metallici affilati che, come minuscole aghi, potrebbero perforare l’elettrolita solido e causare un cortocircuito nella batteria.

Problemi ad Alta Pressione

Mentre l’alta pressione può creare una placcatura e una rimozione uniformi, non è una soluzione magica.

I ricercatori hanno scoperto che ha forzato l’elettrolita e il collettore di corrente insieme così intensamente che qualsiasi imperfezione su entrambi è stata amplificata fino a quando lo stress meccanico ha causato la formazione di fratture.

Utilizzando la tomografia a raggi X, i ricercatori sono riusciti a mappare queste crepe che si formano sotto alta pressione.

Man mano che la pressione di impilamento aumenta da 2 a 10 MPa, l’intero volume di fratture cresce. Molte crepe si estendono verso il lato dell’elettrodo opposto (Figure 3b–e e S10), e un singolo dendrite di litio che raggiunge l’elettrodo opposto può causare un cortocircuito.

In generale, trovare il punto ottimale di pressione sufficientemente bassa ma con contatto efficiente sarà l’obiettivo finale per l’industria delle batterie.

“Il Santo Graal in quest’area sarà capire come mantenere un contatto solido a basse pressioni, poiché produrre un elettrolita privo di difetti è praticamente impossibile. Se vogliamo realizzare il potenziale di queste batterie, dobbiamo risolvere il problema del contatto.”
Prof. Kelsey Hatzell – Professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale

Placcatura Migliore

Raggiungere una placcatura più uniforme è l’argomento del secondo articolo pubblicato dal team del Prof. Hatzell e dai loro collaboratori in altre università e laboratori.

Hanno scoperto che un sottile strato di rivestimento tra il collettore di corrente e l’elettrolita facilita un migliore trasporto di ioni. Hanno testato più design per questo rivestimento.

In definitiva, hanno scoperto che l’opzione migliore erano gli interlayer realizzati con nanoparticelle di carbonio e argento. L’argento in questi interlayer formava leghe con gli ioni durante la carica e la scarica della batteria, consentendo una placcatura e una rimozione uniformi dal collettore di corrente.

Tuttavia, i dettagli su come vengono realizzate le particelle d’argento sono molto importanti. Quando si usano nanoparticelle più grandi di 200 nm, si formano strutture metalliche sottili e irregolari sul collettore di corrente. Ciò riduce la capacità e porta al fallimento della batteria dopo diversi cicli di carica.

“Solo pochi gruppi hanno indagato i processi reali che avvengono in questi interlayer. Tra gli altri risultati, abbiamo dimostrato che la stabilità di questi sistemi è legata alla morfologia del metallo mentre si placca e si rimuove dal collettore di corrente.”
Se Hwan Park - Ricercatore post‑dottorato presso Princeton University

Le particelle d’argento da 50 nm hanno funzionato molto meglio, creando strutture più dense e uniformi, portando a batterie con maggiore stabilità e maggiore potenza.

“Questi risultati possono informare la strategia per la fabbricazione di questi interlayer.

Riducendo le dimensioni delle particelle d’argento, possiamo assicurarci di ottenere solo i vantaggi dell’argento nell’interlayer, il che, a sua volta, potrebbe permetterci di ottenere un buon contatto e una placcatura uniforme anche a basse pressioni.

”
Se Hwan Park - Ricercatore post‑dottorato presso Princeton University

Costruire Batterie a Stato Solido Migliori

Per molto tempo, il concetto di batteria a stato solido ha faticato a uscire dal laboratorio e arrivare sul pavimento delle fabbriche, con produzione su scala.

Questo sta cambiando, con paesi come Cina, Giappone e Corea del Sud che hanno piani a breve termine per portare le batterie a stato solido sul mercato.

 “La sfida sarà passare dalla ricerca al mondo reale in pochi anni. Speriamo che il lavoro che stiamo facendo ora presso MUSIC (Mechano‑Chemical Understanding of Solid Ion Conductors) possa sostenere lo sviluppo e la diffusione di queste batterie di nuova generazione su una scala significativamente ampia.”
Prof. Kelsey Hatzell - Professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale

Investire nelle Tecnologie Avanzate delle Batterie

Le batterie sono al centro della tendenza all’elettrificazione, un’impresa multimiliardaria che mira a rimuovere i combustibili fossili dalle nostre fonti di energia.

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

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

Azienda di Batterie a Stato Solido

QuantumScape

(QS )

Fin dalla sua fondazione nel 2010, la californiana QuantumScape è stata una startup di spicco nel settore delle batterie a stato solido, notevole per il suo ingresso precoce nel campo e per la sua indipendenza da grandi produttori di batterie che perseguono anche loro la tecnologia a stato solido, come CATL (300750.SZ), Samsung o LG Energy Solution (373220.KS).

Una caratteristica unica delle batterie QuantumScape, considerata all’epoca rivoluzionaria, è il design senza anodo. Consente una ricarica rapida di circa 15 minuti (10‑80 % a 45 °C) e il separatore è non infiammabile e non combustibile.

Ciò colloca anche le batterie QuantumScape in una categoria a sé stante per densità energetica e velocità di ricarica, superando di gran lunga leader come Tesla (sia il loro design che quelli prodotti da CATL).

Tuttavia, queste prestazioni notevoli sono state regolarmente ostacolate da difficoltà nell’aumentare la produzione. Ha anche costretto l’azienda a bruciare le proprie riserve di liquidità, portando a diluizioni per gli investitori precedenti e al calo del prezzo delle azioni.

Questo sembra cambiare, dal momento che l’accordo del 2024 con PowerCo, la divisione batterie del Gruppo Volkswagen, per un accordo di licenza per il design e la produzione di massa delle batterie QuantumScape da parte di PowerCo.

Nel contesto dell’accordo di licenza non esclusivo, PowerCo può produrre fino a 40 GWh all’anno di batterie per veicoli elettrici, con la possibilità di espandere a 80 GWh all’anno.

L’improvvisa espansione della produzione di QuantumScape sembra essere collegata a Cobra, il nuovo equipaggiamento separatore per batterie a stato solido di ultima generazione, una svolta nella produzione di ceramiche.

In generale, Cobra dovrebbe essere integrata nella produzione nel 2025 e il primo veicolo elettrico finito con batterie QuantumScape dovrebbe essere prodotto nel 2026.

Questo potrebbe rappresentare una svolta per l’azienda, passando 16 anni dopo la fondazione da startup promettente con IP interessante a generare ricavi crescenti grazie a una partnership con uno dei più grandi costruttori automobilistici al mondo.

Nel frattempo, gli investitori dovrebbero comunque aspettarsi una certa volatilità nel prezzo delle azioni, ma con una luce alla fine del tunnel di sviluppo del prodotto.

Ultime Novità su QuantumScape

Riferimento allo Studio:

1. Se Hwan Park, et al. (2025) Filament-Induced Failure in Lithium-Reservoir-Free Solid-State Batteries. ACS Energy Letters. 22 febbraio 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004 

2. Se Hwan Park, et al. (2024). Lithium Kinetics in Ag–C Porous Interlayer in Reservoir-Free Solid-State Batteries. Advanced Energy Material. 19 dicembre 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129 

3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries. Nature Materials. 02 gennaio 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z

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Jonathan è un ex ricercatore di biochimica che ha lavorato nell'analisi genetica e nei trial clinici. Ora è un analista di mercato e scrittore di finanza con un focus su innovazione, cicli di mercato e geopolitica nella sua pubblicazione The Eurasian Century.