Energia
Nuova Strategia di Interfaccia Migliora il Flusso di Ioni nelle Batterie a Stato Solido
Le batterie al litio sono diventate lo standard globale. Oggi, è il tipo di batteria più popolare e ampiamente utilizzato, con una dimensione di mercato stimata intorno a $65 billion nel 2023.
Ma, naturalmente, non sono prive di svantaggi, tra cui sensibilità alla temperatura, problemi di sicurezza e durata limitata.
Per rendere le batterie Li-ion più sicure e più potenti, gli elettroliti liquidi vengono sostituiti con quelli solidi per creare batterie a stato solido, il cui mercato è previsto a crescere a un CAGR del 41,6% tra il 2024 e il 2032.
Un Cambiamento verso le Batterie a Stato Solido (SSBs)
In una batteria, l’elettrolita è il materiale che rende possibile il movimento degli ioni attraverso il dispositivo per generare energia.
Quindi, una batteria che ha un elettrolita solido è una batteria a stato solido, che offre una maggiore densità energetica, ricarica più veloce, resistenza alla temperatura, durata più lunga e sicurezza migliorata.
Nonostante le loro potenzialità, le SSB affrontano diverse sfide, tra cui la produzione complessa e potenziali problemi di sicurezza legati alla formazione di dendriti. Inoltre, possono sperimentare delaminazione interfaciale, limitando le loro prestazioni e durata. Insieme, queste limitazioni ostacolano l’adozione diffusa delle SSB.
Per superare queste sfide, ricercatori e aziende di tutto il mondo stanno lavorando attivamente per far progredire la tecnologia.
Ad esempio, Samsung SDI sta puntando a una densità energetica di 900 Wh/L tramite il suo elettrolita solido proprietario e tecnologie senza anodo, il 40% più alta rispetto alle sue batterie attuali.
I giganti cinesi CATL e BYD stanno anche facendo progressi significativi nella tecnologia SSB, con il primo che lavora su una “batteria a stato condensato” ibrida e il secondo che ricerca elettroliti solidi a base di ossido e solfuro, entrambi puntando a una densità energetica di 500 Wh/kg.
Nell’UE, Volkswagen ha collaborato con QuantumScape (QS ). La sua unità batterie, PowerCo, ha anche ottenuto un accordo di licenza per produrre in massa celle a stato solido con una capacità iniziale di 40 GWh all’anno, il 30% di autonomia in più e ricarica ultra-rapida.
Nissan prevede di avviare la produzione di massa delle sue prime celle a stato solido prima della fine del decennio, mentre LG punta al 2030 per la commercializzazione. Solid Power, nel frattempo, ha collaborato con Ford (F ), BMW e SK Innovation per accelerare la commercializzazione della tecnologia delle batterie a stato solido, con un focus sugli elettroliti solidi a base di solfuro per i veicoli elettrici.
All’inizio di questo mese, la multinazionale automobilistica tedesca Mercedes-Benz Group AG (ex Daimler) ha presentato la prima auto alimentata da una SSB al litio-metallo su strada. Il prototipo SSB è stato integrato in una EQS alla fine dello scorso anno.
La SSB in un veicolo basato su EQS può aumentare l’autonomia di guida del 25%, ha osservato l’azienda.
Quindi, sebbene in corso, la commercializzazione delle SSB è ancora a diversi anni di distanza. Nel frattempo, un team di ricercatori dell’Università del Texas a Dallas ha scoperto un modo per migliorare le prestazioni delle batterie a stato solido.
Migliorare la Conducibilità Ionica nelle SSB
Pubblicato in ACS Energy Letters, lo studio più recente descrive la scoperta di una conducibilità ionica migliorata1 al mescolare un elettrolita solido con un altro solido.
Questa maggiore conducibilità ionica è causata dalla formazione di uno strato di carica spaziale all’interfaccia, fornendo una nuova strategia per sviluppare conduttori ionici rapidi per le SSB. Lo ‘strato di carica spaziale’, risultato del mescolamento di piccole particelle tra due elettroliti solidi, è un accumulo di carica elettrica all’interfaccia tra i due materiali.
Ciò che accade è che quando i materiali dell’elettrolita solido, che sono separati, entrano in contatto fisico, si forma uno strato al loro confine. Al confine, le particelle cariche si accumulano a causa delle differenze nel potenziale chimico di ciascun materiale.
Lo strato poi aiuta a creare percorsi che facilitano il movimento di queste particelle cariche o ioni attraverso l’interfaccia. Secondo il co-autore corrispondente dello studio, il dott. Laisuo Su, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali nella Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science:
“Immagina di mescolare due ingredienti in una ricetta e ottenere inaspettatamente un risultato migliore di ciascun ingrediente da solo.”
Ha aggiunto:
“Questo effetto ha aumentato il movimento degli ioni oltre ciò che ciascun materiale poteva raggiungere da solo,” ha aggiunto.
La ricerca del dott. Su è incentrata sullo sviluppo di materiali rivoluzionari per dispositivi di energia rinnovabile nel settore delle batterie ricaricabili. Oltre a nutrire un interesse speciale per gli elettroliti, sia solidi che liquidi, nonché per l’interfaccia elettrolita-elettrodo, dove avvengono reazioni cruciali, sta lavorando alla costruzione di strumenti avanzati per monitorare le reazioni chimiche ed elettrochimiche che si verificano negli apparecchi di energia rinnovabile.
“Questa scoperta suggerisce un nuovo modo di progettare elettroliti solidi migliori scegliendo attentamente materiali che interagiscono in modo da migliorare il movimento ionico, potenzialmente portando a batterie a stato solido con prestazioni superiori.”
– Dott. Su
Come parte dell’iniziativa BEACONS (Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security) dell’UTD, che ha ricevuto un finanziamento di 30 milioni di dollari dal Dipartimento della Difesa al lancio nel 2023, il progetto mira a sviluppare e commercializzare nuove tecnologie di batterie e processi di produzione, migliorare la disponibilità nazionale di materie prime critiche e formare lavoratori di alta qualità per l’industria.
Secondo il co-autore corrispondente dello studio, il dott. Kyeongjae Cho, che è anche professore di scienza e ingegneria dei materiali e direttore di BEACONS:
“La tecnologia delle batterie a stato solido fa parte della nostra ricerca sulle chimiche di batterie di nuova generazione presso il centro BEACONS, e si prevede che consenta sistemi di batterie avanzati per migliorare le prestazioni dei droni per applicazioni di difesa.”
Le batterie al litio attualmente utilizzate nei prodotti di consumo includono principalmente elettroliti liquidi, che sono infiammabili e quindi presentano problemi di sicurezza.
Con le batterie Li-ion convenzionali che raggiungono il loro limite teorico di quanta energia possono immagazzinare, le SSB, secondo Su, mostrano promesse di generare e immagazzinare più del doppio della potenza rispetto alle batterie con elettroliti liquidi. E poiché non sono infiammabili, sono anche più sicure.
Muovere gli ioni attraverso materiali solidi, tuttavia, è difficile, il che crea sfide nello sviluppo di batterie a stato solido.
Quindi, i ricercatori hanno studiato le prestazioni di due promettenti composti di elettrolita a stato solido (SSE). Questi includono il cloruro di zirconio litio (Li2ZrCl6) e il cloruro di ittrio litio (Li3YCl6).
I ricercatori hanno poi proposto una teoria sul perché il mescolamento di questi ha potenziato le attività ioniche. “L’interfaccia ha formato canali unici per il trasporto di ioni,” ha detto Su.
In futuro, i ricercatori continueranno a studiare come la composizione e la struttura dell’interfaccia producano una maggiore conducibilità ionica.
Affrontare il Problema dei Dendriti nelle SSB
La necessità di batterie con densità energetica più alta ha portato un altro team di ricercatori a lavorare sul problema critico dei dendriti. In origine, si pensava che i dendriti non potessero penetrare l’elettrolita solido. Ma, come altre architetture di batterie, sono anche un problema per le batterie a stato solido.
Un team di ingegneri e scienziati dei materiali di diverse istituzioni in Cina ha scoperto che l’affaticamento metallico all’anodo è una delle principali ragioni per cui le SSB falliscono nel tempo. Contribuisce anche al degrado dell’interfaccia e alla crescita dei dendriti. scoperto2
Il gruppo ha utilizzato la microscopia elettronica a scansione e simulazioni a campo di fase per studiare la crescita dei dendriti nelle SSB al litio.
Ciò che hanno scoperto è che durante la carica e la ricarica, il costante gonfiore e contrazione del litio causavano affaticamento metallico all’anodo, favorendo la crescita dei dendriti. Più specificamente, l’espansione e contrazione costanti hanno portato allo sviluppo di microvuoti e crepe all’anodo, che hanno causato la crescita dei dendriti e il degrado, anche a basse densità.
Per quanto riguarda cosa sia un dendrite, è una struttura a forma di albero che si forma a causa di reazioni chimiche sulla superficie dell’anodo.
Gli anodi in una batteria attraversano processi di placcatura e rimozione del litio durante i cicli di carica e scarica. In questo processo reversibile, gli ioni di litio vengono depositati sulla superficie dell’anodo (placcatura) e rimossi (rimozione) da essa durante le normali operazioni di ciclo (carica e scarica) della batteria.
Una deposizione non uniforme di ioni Li sulla superficie dell’anodo, tuttavia, tende a produrre siti che attraggono più ioni Li, il che porta a una catena di ioni di litio che cresce più a lungo. La struttura a forma di albero penetra quindi nella batteria, rompendo la struttura della batteria e causando un cortocircuito.
Nelle SSB, c’è una grande area di contatto tra il litio metallico e l’elettrolita solido. E se compaiono vuoti nell’elettrolita solido, il litio metallico li riempie rapidamente, causando una seria formazione di dendriti e una profonda propagazione di crepe attraverso l’elettrolita.
Quindi, Haegyeom Kim, scienziato del personale di materiali al Lawrence Berkeley National Laboratory in California, ha pubblicato una soluzione a questo problema.pubblicato3
Il loro studio descrive l’uso di uno strato di buffer doppio di stagno-carbonio sul collettore di corrente per prevenire la formazione di dendriti nel litio, nelle batterie a stato solido senza anodo (ASSB). In questa architettura SSB, un anodo non è costruito in anticipo, ma si forma durante il primo ciclo di carica sul collettore di corrente grazie agli ioni Li dal catodo per ridurre complessità, peso e costo.
Un precedente articolo di ricercatori di Samsung ha mostrato la possibilità di utilizzare strati di argento e carbonio come strato di buffer nelle batterie al litio, possedendo un ciclo di placcatura e rimozione del litio molto stabile e uniforme.
Studiando perché fosse efficace, il team di Kim ha scoperto che l’argento è molto litofilo, e gli ioni Li si allineano uniformemente sopra il suo strato, anche quando ci sono alte concentrazioni di litio, rendendo la placcatura del litio molto omogenea finché la deposizione dell’argento è uniforme.
Comprendere il ruolo del carbonio qui, tuttavia, ha costituito la base per il nuovo lavoro, dove il team ha selezionato lo stagno, che funziona meglio dell’argento costoso.
Per scoprire il ruolo del carbonio, il team ha progettato più test e utilizzato quattro diverse metà celle di batteria. Una con uno strato di buffer di stagno, una senza strato di buffer, una con stagno sopra lo strato di buffer di carbonio, e una con carbonio sopra lo strato di buffer di stagno.
Gli strati sono stati depositati su un collettore di corrente in acciaio inossidabile, e lo strato di buffer con il carbonio sopra lo stagno ha mostrato le migliori prestazioni.
“Ci siamo resi conto che lo stagno agisce come uno strato litofilo simile all’argento, quindi il posizionamento dello stagno è importante, poiché è lì che avviene la placcatura.”
– Kim
Il livello di carbonio è risultato litofobico, il che significa che gli ioni Li faticano a muoversi attraverso questo strato, preferendo andare nella direzione opposta. Posizionarlo sullo stagno ha impedito la migrazione del litio dal nuovo strato di placcatura sullo stagno e ha fermato la penetrazione del dendrite nell’elettrolita.
“Non si tratta solo delle proprietà intrinseche di un singolo materiale. Come li combiniamo è così importante, poiché può cambiare significativamente le proprietà dello strato barriera.”
Il team sta ora lavorando su nuovi strati di buffer con prestazioni migliori, testando su cicli più lunghi e passando a sistemi più pratici.
Rimuovere i Vuoti per Aumentare la Longevità
Un altro importante progresso nel portare le SSB un passo più vicino alle applicazioni reali è stato ottenuto comprendendo perché l’aggiunta di piccole quantità di metalli come il magnesio all’anodo migliora le prestazioni della batteria.
Sebbene ciò sia fatto frequentemente, non si sapeva il motivo fino ad ora.
Per questo, ricercatori dell’Università di Houston hanno osservato tutto ciò che accade nelle SSB usando la microscopia elettronica a scansione operativa per capire perché si degradano e cosa si potrebbe fare per rallentare quel processo.
“Questa ricerca risolve un mistero di lunga data sul perché le batterie a stato solido a volte falliscono,” ha detto l’autore corrispondente Yan Yao, professore distintivo Hugh Roy e Lillie Cranz Cullen di Ingegneria Elettrica e Informatica e investigatore principale presso il Texas Center for Superconductivity.
La loro scoperta4, secondo Yao, permette alle SSB di funzionare a pressioni più basse. Questo può potenzialmente ridurre la necessità di involucri esterni ingombranti e migliorare la sicurezza complessiva.
Ciò che è stato appreso è che nel tempo, piccoli vuoti si formano all’interno della batteria creando un grande spazio, che causa il fallimento della batteria. Condurre diversi esperimenti ha rivelato che aggiungendo una piccola quantità di elementi come il magnesio (Mg) si possono chiudere questi spazi e aiutare la batteria a continuare a funzionare.
“Con una piccola modifica alla chimica della batteria, possiamo migliorare drasticamente le sue prestazioni, soprattutto in condizioni pratiche come bassa pressione.”
– Primo autore Lihong Zhao, professore assistente di ingegneria elettrica e informatica presso l’UH
Le SSB necessitano di alta pressione di impilamento esterna per rimanere intatte durante il funzionamento, ma come ha osservato Zhao, “regolando attentamente la chimica della batteria, possiamo ridurre significativamente la pressione necessaria per mantenerla stabile.”
I ricercatori dell’Università del Missouri, nel frattempo, hanno usato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione a quattro dimensioni (4D STEM) per valutare la struttura atomica della batteria.
Ciò che hanno scoperto è che quando l’elettrolita solido tocca il catodo, reagisce e forma uno strato di interfaccia di 100 nm di spessore, che blocca gli ioni Li e gli elettroni dal muoversi facilmente, limitando così le prestazioni della batteria.
Il team di ricerca ora prevede di testare se i materiali a film sottile formati tramite un processo di deposizione in fase di vapore (oMLD) possono fornire un rivestimento protettivo “sufficientemente sottile da prevenire reazioni” tra l’elettrolita solido e i materiali del catodo, “ma non così spesso da bloccare il flusso di ioni litio.”
Utilizzare l’IA per Supportare la Ricerca e lo Sviluppo delle SSB
Con l’intelligenza artificiale che sta trasformando le industrie, è logico che i ricercatori ne stiano anche sfruttando l’aiuto per risolvere il problema della ricerca e sviluppo delle SSB, che sono intensivi in risorse e richiedono tempo.
L’ambiente chimico complesso delle SSB rende effettivamente difficile la previsione delle prestazioni e ritarda l’industrializzazione su larga scala.
In uno studio5 della scorsa settimana, ingegneri della Soochow University e della Nanjing University, Cina, hanno evidenziato il potenziale dell’IA per abilitare una selezione efficiente dei materiali e la previsione delle prestazioni. I recenti progressi nell’uso di algoritmi di apprendimento automatico (ML) possono essere utilizzati per analizzare ampie banche dati di materiali e accelerare la scoperta di materiali ad alte prestazioni adatti alle SSB.
Lo sviluppo rapido della tecnologia IA, secondo lo studio, fornisce nuove idee per affrontare le principali sfide delle SSB, che sono l’interfaccia dell’anodo, l’interfaccia del catodo, la sintesi e scoperta degli elettroliti, e la produzione di batterie.
Ricercatori di Skoltech e dell’AIRI Institute hanno anche sfruttato le reti neurali e le hanno trovate capaci di identificare materiali promettenti per l’elettrolita solido così come per i suoi rivestimenti protettivi.
“Abbiamo dimostrato che le reti neurali grafiche possono identificare nuovi materiali per batterie a stato solido con alta mobilità ionica e farlo di ordini di grandezza più velocemente rispetto ai metodi tradizionali di chimica quantistica,” ha detto l’autore principale, Artem Dembitskiy, potenzialmente accelerando lo sviluppo di nuovi materiali per batterie.
Utilizzando l’approccio accelerato dall’apprendimento automatico, i ricercatori hanno identificato i composti Li3AlF6 e Li2ZnCl4 come materiali di rivestimento promettenti per il conduttore superionico di litio Li10GeP2S12.
Investire nella tecnologia SSB
Quando si tratta di investire in un’azienda che avanza attivamente la tecnologia delle batterie a stato solido, Toyota (TM ) offre un solido potenziale.
Il produttore automobilistico giapponese ha collaborato con Panasonic per formare una joint venture chiamata Prime Planet Energy & Solutions, focalizzata su elettroliti solidi a base di solfuro. L’azienda prevede di iniziare la produzione il prossimo anno, con la produzione di massa prevista per il 2030, puntando a un’autonomia di 1.000 km, ricarica rapida in 10 minuti e un obiettivo di capacità annuale di 9 GWh.
Ha anche collaborato con Idemitsu Kosan per produrre in massa elettroliti a base di solfuro entro il 2027–2028.
Toyota Motor Corp (TM )
Il rapporto di Toyota con le batterie a stato solido è iniziato quasi due decenni fa con la creazione di una Divisione di Ricerca sulle Batterie, il cui scopo è sviluppare batterie di nuova generazione per veicoli ibridi ed elettrici.
Per quanto riguarda le performance di mercato di Toyota Motors, sono state piuttosto solide, con le azioni attualmente scambiate a $183,60. Sebbene in calo del 4,87% YTD, sono in rialzo di oltre il 17% rispetto al minimo di aprile. Solo lo scorso anno, a marzo, il prezzo delle azioni dell’azienda aveva superato $255 raggiungendo un nuovo picco.
(TM )
Con ciò, la capitalizzazione di mercato di $292,4 miliardi, l’EPS (TTM) di Toyota è 24,01 e il P/E (TTM) è 7,71. Offre anche un rendimento da dividendo attraente del 3,27%.
I risultati finanziari dell’azienda per il Q1 2025 hanno mostrato che il fatturato netto è aumentato del 6,5% a $314 miliardi, mentre il reddito operativo è diminuito di oltre il 15% a $31,3 miliardi. Durante questo periodo, l’azienda ha venduto un totale di circa 9.362.000 unità. Nonostante le vendite siano diminuite di 81.000 unità nel trimestre, Toyota è rimasta il marchio più venduto.
Ciò avviene dopo che Toyota ha venduto 10,8 milioni di veicoli nel 2024 per diventare il produttore automobilistico più venduto al mondo per il quinto anno consecutivo.
Ultime Notizie e Sviluppi sul Titolo Toyota Motor Corp. (TM)
Clicca qui per un elenco dei cinque migliori titoli di batterie a stato solido.
Conclusione: Il Futuro delle Batterie a Stato Solido
Le batterie a stato solido promettono molti vantaggi rispetto alle batterie al litio ampiamente utilizzate. Sebbene offrano una migliore sicurezza, densità energetica e longevità, sfide come la delaminazione interfaciale e la formazione di dendriti ostacolano ancora la loro adozione di massa.
Qui, l’ultima scoperta che mescolare certi elettroliti solidi crea uno “strato di carica spaziale”, che migliora la mobilità ionica, rappresenta una nuova direzione promettente. Attraverso tali progressi, insieme alla costante sperimentazione delle aziende, le SSB possono finalmente diventare praticabili per l’uso reale in dispositivi mobili e veicoli elettrici.
Studi Citati:
1. Wang, B., Limon, M. S. R., Zhou, Y., Cho, K., Ahmad, Z., & Su, L. (2025). 1 + 1 > 2 Effetto indotto dalla carica spaziale negli elettroliti solidi. ACS Energy Letters, 10(3), 1255–1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Wang, T., Chen, B., Liu, Y., Song, Z., Wang, Z., Chen, Y., Yu, Q., Wen, J., Dai, Y., Kang, Q., Pei, F., Xu, R., Luo, W., & Huang, Y. (2025). Affaticamento dell’anodo in litio nelle batterie a stato solido. Science, 388(6744), 311–316. https://doi.org/10.1126/science.adq6807
3. Avvaru, V. S., Ogunfunmi, T., Jeong, S., Diallo, M. S., Watt, J., Scott, M. C., & Kim, H. (2025). Strato di buffer doppio stagno-carbonio per sopprimere la crescita dei dendriti di litio nelle batterie a stato solido. ACS Nano, 19(18), 17347–17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Zhao, L., Feng, M., Wu, C. et al. Imaging dell’evoluzione dell’interfaccia litio-elettrolita solido usando microscopia elettronica a scansione operativa. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. Wang, S., Liu, J., Song, X. et al. L’intelligenza artificiale potenzia le batterie a stato solido per la selezione dei materiali e la valutazione delle prestazioni. Nano-Micro Lett. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y
