Scoperta 4D-STEM di Mizzou: migliorare l’efficienza delle batterie allo stato solido

Le batterie allo stato solido sono al centro dell’attenzione in questi giorni. Stanno guadagnando costantemente terreno nei dispositivi elettronici di consumo e nei veicoli elettrici, costituendo la quota più grande del mercato globale delle batterie allo stato solido nel 2022.

I ricercatori stimano che le applicazioni delle batterie allo stato solido nel settore dei veicoli elettrici cresceranno esponenzialmente nel prossimo decennio, raggiungendo una dimensione di mercato di US$4,3 miliardi entro il 2032. Ci sono ragioni per cui le batterie allo stato solido sono pronte per una crescita esponenziale. In sostanza, si riferiscono a una tecnologia di batteria che utilizza un elettrolita solido invece degli elettroliti liquidi, come avviene nella tecnologia al litio‑ione. 

Le celle allo stato solido sono composte da un catodo, un separatore e un anodo. Il catodo potrebbe essere realizzato con gli stessi composti di una batteria al litio‑ione. Al contrario, il separatore è generalmente realizzato in ceramica o in polimero solido, che funge anche da elettrolita. L’anodo è realizzato in litio metallico. 

Quando è caricata, le particelle di litio all’interno di queste batterie si spostano dal catodo attraverso la struttura atomica del separatore e il contatto elettrico dell’anodo, formando uno strato solido di litio puro. Il processo garantisce che l’anodo sia costituito esclusivamente da particelle di litio e abbia un volume più piccolo rispetto a un anodo di tecnologia al litio‑ione con struttura di grafite. 

Sebbene queste batterie siano ancora nella fase di sviluppo, promettono molteplici miglioramenti rispetto alle batterie attuali, tra cui una maggiore densità energetica, una vita più lunga, una sicurezza migliorata e dimensioni più ridotte. Le prospettive promettenti offerte dalle batterie allo stato solido le hanno rese uno spazio attraente per gli scienziati che desiderano approfondire e vedere cosa si può fare con esse.

Un recente comunicato stampa di una ricerca dell’Università del Minnesota afferma che i ricercatori stanno “decifrando il codice delle batterie allo stato solido.” Nei segmenti seguenti, esamineremo le ragioni che sostengono questa audace affermazione. 

Cosa hanno realizzato i ricercatori dell’Università del Minnesota

La ricerca, intitolata Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, dimostra un flusso di lavoro semplice per studiare la formazione dell’interfaccia catodo‑elettrolita (CEI) usando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione 4D (4D‑STEM) che non richiede l’assemblaggio di SS‑LIB.

Nei punti di contatto tra l’elettrolita solido e il materiale attivo del catodo nelle batterie al litio‑ione allo stato solido, si formano strati di interfaccia, aumentando l’impedenza della cella. I ricercatori eliminano la necessità dell’assemblaggio SS‑LIB e mostrano i vantaggi del MoCl5:EtOH come agente de‑litiante chimico, insieme alla polvere di catodo LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) de‑litinata chimicamente in contatto con la polvere SE Li10GeP2S12 (LGPS), come surrogato CEI SS‑LIB.

I ricercatori hanno mappato la composizione e la struttura degli strati CEI usando 4D‑STEM, spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) e analisi della funzione di distribuzione delle coppie elettroniche (ePDF). I loro risultati suggeriscono che rivestimenti che bloccano il trasporto di anioni consentendo al contempo il trasporto di ioni litio ed elettroni potrebbero prevenire la formazione dell’interfaccia e ridurre l’impedenza nelle SS‑LIB. 

Descrivendo la natura del rivestimento, Young ha affermato:

“I rivestimenti devono essere sufficientemente sottili da prevenire reazioni ma non così spessi da bloccare il flusso di ioni litio. 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 compatibilità.”

Tutto ciò può sembrare troppo tecnico, ma c’è una prospettiva più semplice per comprendere il risultato della ricerca.

Clicca qui per saperne di più su una scoperta di batteria che avvicina le varianti allo stato solido di un passo alla realtà.

Affrontare il problema dell’elettrolita liquido

Le batterie al litio‑ione si basano su elettroliti liquidi, che possono prendere fuoco se danneggiati o surriscaldati. I ricercatori dell’Università del Missouri hanno affrontato questo problema sviluppando tecniche efficienti per sostituire gli elettroliti liquidi o in gel con elettroliti solidi.

Spiegando come funziona la loro soluzione, il professore assistente Matthias Young, che ha incarichi congiunti nella College of Engineering e nella College of Arts and Science di Mizzou, ha dichiarato:

“Quando l’elettrolita solido tocca il catodo, reagisce e forma uno strato di interfaccia di circa 100 nanometri di spessore — 1.000 volte più piccolo della larghezza di un singolo capello umano. Questo strato blocca il movimento facile di ioni litio ed elettroni, aumentando la resistenza e compromettendo le prestazioni della batteria.”

La scoperta più significativa

Il risultato più significativo del team di ricerca, tuttavia, è stato l’uso della microscopia elettronica a trasmissione a scansione a quattro dimensioni (4D STEM). Ciò che ha reso questa scoperta rivoluzionaria è stato il fatto che hanno potuto esaminare la struttura atomica della batteria senza smontarla, consentendo loro di ottenere una comprensione fondamentale delle reazioni chimiche interne e determinare l’entità del danno attribuito allo strato di interfaccia. 

Dal punto di vista dei potenziali utenti di queste batterie, la ricerca e le sue implicazioni hanno un grande potenziale. 

Benefici reali attesi

I produttori automobilistici globali sono entusiasti delle batterie allo stato solido perché offriranno maggiore sicurezza e stabilità termica. La ricerca di cui abbiamo appena discusso è una svolta in quella direzione — un passo immensamente significativo in avanti. Inoltre, la ricerca potrebbe portare a miglioramenti in termini di sicurezza, prestazioni, durata delle batterie, costi e impatto ambientale. 

Gli scienziati delle batterie di tutto il mondo sono ottimisti sul fatto che la nuova generazione di batterie allo stato solido, che emergerà grazie a ricerche come questa, supererà alla fine due limitazioni chiave delle batterie al litio‑ione convenzionali. I catodi ricchi di nichel consentiranno all’industria delle batterie di utilizzare meno cobalto nel catodo. In secondo luogo, le chimiche allo stato solido permetteranno ai produttori di batterie di utilizzare litio metallico nell’anodo.

Il primo fattore è cruciale per la crescita di questo settore perché il cobalto è scarso, costoso e difficile da estrarre. Proviene da paesi con leggi minerarie deboli. I ricercatori credono che l’uso del litio nell’anodo sia significativo perché aumenta la densità energetica e promuove la sicurezza.

Parlando dell’uso del litio metallico, Helena Braga, professoressa associata di fisica ingegneristica all’Università di Porto in Portogallo e ricercatrice nota che ha collaborato con il Premio Nobel per John Goodenough sulle batterie allo stato solido un decennio fa, ha dichiarato:

“Questo è il motivo per cui abbiamo iniziato questo percorso (allo stato solido) fin dall’inizio – per poter utilizzare il litio metallico.”

Nel complesso, questa tecnologia e la tecnica basata sulla ricerca possono portare a progetti di batterie migliorati con prestazioni e sicurezza potenziate, potenzialmente influenzando l’elettronica di consumo e i veicoli elettrici entro 3‑7 anni.​

Tuttavia, il valore reale di tale ricerca dipenderà da quanto con successo le aziende e le imprese che producono batterie allo stato solido le adotteranno e le porteranno a scala. Nel segmento successivo, discuteremo una di queste aziende, Solid Power, Inc. (SLDP ), che si specializza nella tecnologia delle batterie completamente allo stato solido, concentrandosi su soluzioni di immagazzinamento energetico più sicure ed efficienti.​

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power si presenta come fornitore di tecnologia di celle batteria completamente allo stato solido che offre miglioramenti chiave rispetto alla tecnologia al litio‑ione a base di liquido convenzionale e alle celle ibride di nuova generazione, includendo alta energia, sicurezza migliorata, vita più lunga e risparmio sui costi. 

Le batterie di Solid Power consentono l’uso di elettrodi ad alta capacità come il silicio ad alto contenuto e il litio metallico per raggiungere prestazioni ad alta energia. Diventano più sicure eliminando la necessità dei componenti liquidi e gel volatili e reattivi. Di conseguenza, possono resistere e funzionare a temperature estremamente elevate. L’azienda ritiene che le sue batterie possano offrire un vantaggio di costo del 15‑35% rispetto alle attuali batterie al litio‑ione a livello di pacco. 

Nei segmenti successivi, discuteremo le tre varianti delle batterie allo stato solido di Solid Power. 

Cella EV al silicio 

Queste celle sono dotate di un anodo al silicio ad alto contenuto che offre alte velocità di carica e capacità di funzionare a temperature più basse. Queste batterie sono alimentate dagli elettroliti solidi a base di solfuri proprietari dell’azienda. Infine, il suo catodo NMC è standard del settore e commercialmente maturo. 

Metallo di litio

Le batterie Solid Power al litio metallico sono dotate di litio metallico e anodo ad alta energia. Questa categoria di batterie è anche alimentata dagli elettroliti solidi a base di solfuri proprietari di Solid Power e da catodi NMC standard del settore e commercialmente maturi. 

Cella a reazione di conversione 

Infine, arriviamo alla categoria di batterie a reazione di conversione che presentano un anodo al litio metallico ad alta energia, elettroliti solidi a base di solfuri a costo ultra‑basso e un catodo di tipo conversione ad alta energia specifica. 

La tecnologia delle batterie di Solid Power utilizza elettroliti solidi a base di solfuri come una delle sue fondamenta più solide. La tecnologia garantisce la completa rimozione dell’elettrolita liquido infiammabile e dello strato separatore polimerico in una batteria al litio‑ione tradizionale e lo sostituisce con uno strato solido che, nonostante sia sottile, agisce da barriera per impedire all’anodo e al catodo di toccarsi, il che causerebbe un cortocircuito. Funziona anche come elettrolita conduttivo. L’elettrolita solido a base di solfuri di Solid Power offre la migliore combinazione di conduttività, fabbricabilità e prestazioni a livello di cella. 

La tecnologia di elettrolita solido a base di solfuri di Solid Power utilizza materiali abbondanti in natura. L’azienda prevede di scalare la produzione del suo elettrolita per alimentare 800.000 veicoli elettrificati tramite le sue celle batteria completamente allo stato solido ogni anno entro il 2028.

SLDP: Ultimi aggiornamenti

Nel dicembre 2024, Solid Power ha annunciato l’estensione della sua partnership con Ford fino al 2025. Il terzo emendamento all’accordo di sviluppo congiunto ha riflettuto l’impegno continuo tra Solid Power e Ford per spingere oltre i limiti delle prestazioni delle batterie per veicoli elettrici. 

I rapporti hanno citato l’estensione della partnership come un passo significativo per il lavoro di Solid Power verso la commercializzazione della sua tecnologia di batterie allo stato solido. L’estensione della partnership con Ford, importante produttore automobilistico globale, ha sottolineato il potenziale impatto della tecnologia di Solid Power sull’industria automobilistica.

Nel gennaio 2025, l’azienda ha stipulato un accordo finanziario significativo con il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE). L’azienda ha annunciato di aver ottenuto fino a 50 milioni di dollari di finanziamento per potenziare le sue capacità di produzione del materiale elettrolita solido a base di solfuri, essenziale per le batterie di prossima generazione.

Il finanziamento è arrivato come parte di un Accordo di Assistenza con data di efficacia 1 gennaio 2025, che prevedeva che Solid Power contribuisse con 60 milioni di dollari dei propri fondi come parte dell’accordo di condivisione dei costi. L’investimento era finalizzato a sostenere l’installazione di attrezzature necessarie per la produzione continua, che si prevede rafforzerà la scala di produzione dell’azienda.

Come parte dell’accordo, Solid Power era tenuta a rispettare specifici requisiti di rendicontazione e obblighi di conformità. Il supporto del DOE ha sottolineato l’importanza di avanzare la tecnologia delle batterie per l’accumulo di energia e i veicoli elettrici, settori critici per la transizione verso un’economia a basse emissioni di carbonio.

La partnership dell’azienda con il DOE è stata un passo strategico per accelerare la commercializzazione delle batterie allo stato solido, che promettono una maggiore densità energetica, una sicurezza migliorata e una vita più lunga rispetto alle batterie al litio‑ione convenzionali.

Sul fronte finanziario, Solid Power ha registrato 20,1 milioni di dollari di ricavi nel 2024, un aumento di 2,7 milioni di dollari rispetto al 2023. Le spese operative sono state di 125,5 milioni di dollari nel 2024, rispetto a 108,0 milioni nel 2023, guidate dall’aumento dei costi di ricerca e sviluppo per migliorare le prestazioni del suo elettrolita e dei design delle celle, dalla produzione di elettroliti, dagli acquisti di attrezzature a supporto degli accordi con SK On e dalla scalatura delle operazioni, inclusa l’istituzione di operazioni in Corea. La perdita operativa per il 2024 è stata di 105,3 milioni di dollari, mentre la perdita netta è stata di 96,5 milioni di dollari, o 0,54 dollari per azione.

“Nel 2025, Solid Power continuerà a spingere lo sviluppo della tecnologia ASSB migliorando le prestazioni dell’elettrolita grazie al feedback del nostro team di sviluppo delle celle, soddisfacendo i requisiti dei partner e le richieste dei clienti, continuando a innovare sia sull’elettrolita sia sulle tecnologie delle celle, e mantenendo la disciplina finanziaria mentre investiamo strategicamente nello sviluppo e nelle capacità.”

– John Van Scoter, Presidente e Amministratore Delegato di Solid Power

Batteria allo stato solido: guardare al futuro

Il futuro delle batterie allo stato solido appare entusiasmante, ricco di potenziale innovativo. Nel 2024, ad esempio, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato una nuova batteria al litio metallico che potrebbe essere caricata e scaricata almeno 6.000 volte — più di qualsiasi altra cella a sacchetto — e potrebbe essere ricaricata in pochi minuti.

Secondo Xin Li, professore associato di Scienza dei Materiali presso SEAS e autore senior del documento che ha dettagliato la ricerca e pubblicato su Nature Materials:

“Le batterie con anodo di litio metallico sono considerate il santo graal delle batterie perché hanno dieci volte la capacità degli anodi di grafite commerciali e potrebbero aumentare drasticamente l’autonomia dei veicoli elettrici.”

Nella loro ricerca, Li e il suo team hanno impedito la formazione di dendriti utilizzando particelle di silicio di dimensioni microniche nell’anodo per limitare la reazione di litiazione e facilitare la placcatura omogenea di uno spesso strato di litio metallico. Quando gli ioni litio si sono spostati dal catodo all’anodo durante la carica, la reazione di litiazione è stata limitata alla superficie superficiale, e gli ioni si sono legati alla superficie della particella di silicio senza penetrare ulteriormente. 

“Nel nostro design, il litio metallico avvolge la particella di silicio, come una dura copertura di cioccolato intorno a un nocciolo di nocciola in una trufa al cioccolato.”

– Li

Le particelle rivestite hanno formato una superficie omogenea, garantendo una distribuzione uniforme della densità di corrente e prevenendo la crescita di dendriti. E poiché la placcatura e lo stripping potevano avvenire rapidamente su una superficie uniforme, la batteria poteva ricaricarsi in circa 10 minuti. 

I ricercatori hanno sviluppato una versione di cella a sacchetto delle dimensioni di un francobollo della batteria, 10‑20 volte più grande della cella a moneta realizzata nella maggior parte dei laboratori universitari. La batteria ha mantenuto l’80% della sua capacità dopo 6.000 cicli, superando altre batterie a sacchetto della stessa categoria. Nel processo, i ricercatori hanno rivelato decine di altri materiali che potrebbero potenzialmente offrire prestazioni simili. Secondo Li:

“Ricerche precedenti hanno scoperto che altri materiali, incluso l’argento, potrebbero servire come buoni materiali per l’anodo delle batterie allo stato solido.”

Per rendere il processo universale, un team di ricercatori ha pubblicato un documento su benchmarking the reproducibility of all-solid-state battery cell performance.² I ricercatori hanno osservato che la comparabilità interlaboratorio e la riproducibilità delle prestazioni di ciclaggio delle celle a batteria completamente allo stato solido erano poco comprese a causa della mancanza di configurazioni standardizzate e parametri di assemblaggio.

I ricercatori hanno suggerito un insieme di parametri per la segnalazione dei risultati di ciclaggio delle batterie allo stato solido e hanno promosso la segnalazione dei dati in triplicato. Per esempio, una tensione a circuito aperto iniziale di 2,5 e 2,7 V vs. Li+/Li è stata un buon predittore di ciclaggio riuscito per le celle che utilizzano questi materiali elettroattivi.

La standardizzazione della produzione di batterie allo stato solido è cruciale perché la loro usabilità è diversificata. Mentre i produttori di veicoli elettrici sono tra i più interessati a sviluppare batterie allo stato solido efficienti, anche i ricercatori della NASA hanno riportato progressi nello sviluppo di un pacco batteria innovativo più leggero, più sicuro e con prestazioni migliori rispetto alle batterie comunemente usate nei veicoli e nei grandi dispositivi elettronici odierni. 

I ricercatori della NASA hanno sperimentato nuovi materiali innovativi che non erano ancora stati usati nelle batterie. Il team ha capito presto che l’architettura allo stato solido consentiva loro di modificare la costruzione e l’imballaggio della batteria, riducendo il peso e aumentando la capacità di immagazzinamento energetico. Hanno dimostrato che le batterie allo stato solido potevano alimentare oggetti con una capacità enorme di 500 watt‑ora per chilogrammo — il doppio di quella di un’auto elettrica.

“Non solo questo design elimina dal 30 al 40 percento del peso della batteria, ma ci permette anche di raddoppiare o persino triplicare l’energia che può immagazzinare, superando di gran lunga le capacità delle batterie al litio‑ione che sono considerate lo stato dell’arte.”

– Rocco Viggiano, investigatore principale di SABERS

SABERS è un acronimo per l’attività designata dalla NASA, ‘Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety.’

Come suggerisce il nome, il futuro delle batterie allo stato solido prospererà su questi aspetti di ricarica rapida e sicurezza. I produttori cercheranno sempre più di sviluppare batterie che si ricarichino più velocemente senza rendere il processo pericoloso.

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