Energia
Batterie allo stato solido al sodio e all’idrogeno sfidano il litio
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Andare oltre il litio‑ionico
Con l’elettrificazione di tutte le forme di trasporto, a partire dalle auto e presto anche camion, navi e forse anche aerei, lo stoccaggio delle batterie è diventato la chiave tecnologia del decennio.
All’inizio è stato dominato dalla tecnologia litio‑ionica, grazie all’esperienza nella sua produzione per l’elettronica di consumo e alle proprietà elettriche intrinseche del litio.
Tuttavia, la tecnologia litio‑ionica presenta alcuni problemi chiave che potrebbero limitarne l’adozione:
- È più costosa e più rara rispetto ad altri metalli, potenzialmente limitandone l’applicazione a batterie ad ultra‑alta densità o prodotti di fascia alta.
- Tende a formare dendriti metallici che possono causare guasti catastrofici e incendi delle batterie.
- Funziona male a temperature di congelamento, rendendola inadatta per climi freddi e per lo stoccaggio fisso in regioni fredde.
Per tutti questi motivi, scienziati e produttori di batterie hanno esplorato chimiche alternative. Una di queste è l’uso del sodio, uno dei componenti del sale marino ultra‑abbondante e a basso costo.
Le batterie al sodio‑ion stanno per raggiungere la fase di produzione di massa, con la società CATL (300750.SZ) che guida la carica in questo settore.
“Non è una questione di sodio contro litio. Abbiamo bisogno di entrambi. Quando pensiamo alle soluzioni di stoccaggio energetico di domani, dovremmo immaginare che la stessa giga‑fabbrica possa produrre prodotti basati sia sulla chimica del litio sia su quella del sodio,”
Shirley Meng– Professoressa di Ingegneria Molecolare presso il UChicago PME.
Comunque, sia le batterie litio‑ioniche che quelle sodio‑ioniche sono considerate un trampolino verso una forma superiore di tecnologia delle batterie: batterie allo stato solido.
All’inizio focalizzata sul litio, la tecnologia allo stato solido ora si sta espandendo verso nuove direzioni. Per esempio, abbiamo discusso in precedenza la possibilità di una batteria allo stato solido senza anodo basata sul sodio.
Un nuovo studio ha rivelato che una forma metastabile di elettrolita solido al sodio potrebbe essere usata per creare batterie allo stato solido al sodio non solo più densamente energetiche, ma anche capaci di mantenere le prestazioni anche a temperature sotto zero.
Questo lavoro è stato svolto da scienziati dell’Università della California, dell’Università di Chicago e della National Taiwan University of Science and Technology, ed è stato pubblicato sulla rivista Joule1 con il titolo “Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes”.
Sfide degli elettroliti allo stato solido
In una batteria “normale”, il catodo e l’anodo sono separati da un elettrolita liquido. Questo elettrolita è molto utile, ma anche molto pesante, ed è la principale causa di incendi nelle batterie difettose.
Per questo motivo sostituirlo con uno strato di materiale solido rende la batteria non solo molto più densa, ma anche più sicura. Tuttavia, mantenere stabile questo elettrolita solido e impedirne il gonfiamento durante la carica o la scarica (che causa crepe) è stato un problema.
Gli elettroliti solidi al sodio hanno un problema aggiuntivo, poiché mostrano una conduttività ionica limitata a temperatura ambiente.
Un’alternativa potrebbe essere l’uso di materiali come il sodio idridoborato, noto per avere una conduttività ionica molto alta. Ma per questo, la sua forma metastabile deve essere mantenuta in una batteria su scala.
“Questa struttura metastabile del sodio idridoborato ha una conduttività ionica molto alta, almeno un ordine di grandezza superiore a quella riportata in letteratura, e tre‑quattro ordini di grandezza superiore al precursore stesso.”
Shirley Meng– Professoressa di Ingegneria Molecolare presso il UChicago PME.
Stabilizzare gli elettroliti allo stato solido al sodio
Quando si produce una batteria con sodio idridoborato, il materiale tende a spostarsi verso una struttura stabile durante il raffreddamento, separando NaBH4 da molecole Na2B12H12.
Una forma metastabile esiste ad alta temperatura, mescolando i 2 cristalli, consentendo un movimento molto più rapido del sodio nella batteria, portando a una capacità elettrica più forte.
Source: Joule
Raffreddando rapidamente, il materiale rimane in forma metastabile, il cristallo mantiene la sua struttura, invece di tornare a una forma stabile. Questo tipo di raffreddamento rapido, chiamato anche tempra, è un metodo chiave usato nella produzione, in particolare nella metallurgia per acciaio e altri metalli.
Source: Joule
Tecnica nota per la scalabilità
Era già noto che per stabilizzare una struttura chimica, la tempra (raffreddamento rapido) è spesso un metodo utile. Tuttavia, questo non era mai stato dimostrato in un elettrolita allo stato solido fino ad ora.
Il fatto che questa sia una pratica comunemente accettata potrebbe aiutare notevolmente a rendere questa tecnica scalabile e adottata dai produttori di batterie.
“Poiché questa tecnica è consolidata, siamo meglio in grado di scalare in futuro.
Se proponi qualcosa di nuovo o se c’è la necessità di cambiare o stabilire processi, l’industria sarà più riluttante ad accettarlo.”
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Elettrodo spesso e temperature fredde
La maggior parte dei progetti allo stato solido cerca di progettare un catodo ultra‑sottile per massimizzare la superficie di contatto e limitare la quantità di materiale “morto” che non immagazzina energia.
La tempra risolve questo problema creando pori permanenti dove lo ione sodio può circolare.
“Abbinare quella fase metastabile a un catodo di tipo O3 rivestito con un elettrolita solido a base di cloruro può creare catodi spessi, ad alto carico areale, che porta questo nuovo design oltre le precedenti batterie al sodio.”
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Questo crea un potenziale di design interessante, poiché rendere l’elettrodo più spesso dovrebbe, in questo caso specifico, migliorare la batteria, invece di peggiorarla.
“Più spesso è il catodo, più alta è la densità energetica teorica della batteria – la quantità di energia contenuta in una specifica area – migliora,”
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Durante i test sul catodo, i ricercatori hanno scoperto che le prestazioni si mantengono a temperatura ambiente e anche sotto zero – un vantaggio notevole per operazioni in climi freddi rispetto alle tradizionali batterie al litio con elettrolita liquido – sebbene una superiorità più ampia a livello di sistema rispetto alle batterie Li‑ion commerciali non sia ancora stata dimostrata.
L’idrogeno come portatore di carica
Quando si discute dell’idrogeno in relazione a trasporti ed energia verde, generalmente ci si riferisce al diidrogeno (H2) e alla sua combustione o ossidazione in motori dedicati o celle a combustibile.
Ma l’idrogeno potrebbe avere un potenziale come componente chiave delle batterie in futuro, sostituendo litio o sodio. In tal caso, si utilizza l’idruro (H-) al suo posto.
Poiché l’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’Universo, ciò potrebbe renderlo particolarmente utile per un mondo che mira a essere completamente elettrificato e alimentato da energia verde e batterie.
I ricercatori cinesi dell’Università della Chinese Academy of Sciences, dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC), dell’Università di Jilin e del Laboratorio Nazionale Cinese di Catalisi hanno rivelato nella prestigiosa rivista scientifica Nature2 il concetto di batteria allo stato solido a ioni idruro, con il titolo “A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery”.
Ioni idruro
Le batterie usano un portatore di carica negativo per trasportare elettroni tra anodo e catodo. In teoria, gli ioni idruro (H−) sono più energetici, polarizzabili e reattivi rispetto ai cationi come litio o sodio.
L’idrogeno è anche l’atomo più piccolo, rendendolo particolarmente leggero, un punto chiave per le batterie usate nei trasporti.
Tuttavia, nonostante questi vantaggi ben noti, gli ioni idruro non sono stati ancora utilizzati nelle batterie, poiché nessun elettrolita è stato in grado di fornire la combinazione di rapido movimento ionico, stabilità termica e compatibilità con l’elettrodo che tali sistemi richiedono.
Combinare conduttività e stabilità
I ricercatori hanno sintetizzato un nuovo composito idruro core‑shell, 3CeH3@BaH2, dove un sottile guscio di BaH2 avvolge CeH3. Questa struttura sfrutta l’alta conduttività ionica di CeH3 e la stabilità di BaH2.
Usando questo composito a guscio come blocco costitutivo, i ricercatori hanno creato un prototipo di batteria allo stato solido a ioni idruro CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4. NaAlH4, un classico materiale di stoccaggio dell’idrogeno, è stato usato come componente attivo del catodo.
Rimuovere definitivamente i dendriti?
Oltre all’alta capacità energetica, gli ioni idruro hanno un altro grande vantaggio: a differenza dei cationi metallici, non possono assemblarsi tra loro per formare dendriti, la causa principale della maggior parte dei guasti delle batterie dopo troppi cicli di carica‑scarica, provocando cortocircuiti e incendi.
Quindi potrebbe essere la via per un immagazzinamento di energia sicuro, efficiente e sostenibile.
Tuttavia, questa tecnologia è molto meno matura rispetto alle batterie al litio o anche al sodio, con progressi necessari nella durabilità di questo design.
Per ora, i ricercatori sono riusciti a creare una densità energetica di 984 mAh/g a temperatura ambiente. Ma la capacità della batteria è scesa a 402 mAh/g dopo appena 20 cicli.
Il futuro delle batterie allo stato solido
Nel breve termine, le batterie basate sulla tecnologia litio‑ionica probabilmente rimarranno la base dell’energia verde e dei veicoli elettrici.
Tuttavia, a medio termine, le batterie allo stato solido o al sodio (e sodio allo stato solido) potrebbero sostituire il dominio del litio‑ionico, specialmente se riusciranno a offrire una densità energetica sufficientemente alta a un prezzo più basso.
La ricarica rapida delle batterie allo stato solido potrebbe anche essere un argomento per i conducenti riluttanti a passare ai veicoli elettrici o per applicazioni commerciali.
La durabilità e la tolleranza alle temperature fredde saranno anche un fattore nell’equazione, con potenzialmente una vasta gamma di chimiche di batterie parallele che coesisteranno durante gli anni 2030, con alcune batterie specializzate per veicoli elettrici in climi freddi.
Puoi leggere di più su questi argomenti nei nostri articoli seguenti:
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| Tipo di batteria | Densità energetica | Durata ciclica | Costo | Maturità |
|---|---|---|---|---|
| Litio‑ionico | 250–300 Wh/kg | 1,000+ cycles | Alto | Commerciale |
| Sodio‑ionico | 160–200 Wh/kg | 1,000+ cycles | Inferiore | In scala (CATL) |
| Solido (Litio) | 350–500 Wh/kg | >2.000 cicli (obiettivo) | Alto (R&S) | Pilota (2026–27) |
| Ione idruro | 984 mAh/g (prototype) | 20 cicli (attuale) | Sconosciuto | Ricerca precoce |
Azienda di batterie allo stato solido
QuantumScape
QS Grafico dei prezzi
Fin dalla sua fondazione nel 2010, la QuantumScape (QS ) californiana è stata una startup di spicco nel settore delle batterie allo stato solido, notevole per il suo ingresso precoce nel campo e per la sua indipendenza da grandi produttori di batterie che perseguono anch’essi la tecnologia allo stato solido, come CATL (300750.SZ), Samsung o LG Energy Solution (373220.KS).
Source: QuantumScape
Una caratteristica unica delle batterie QuantumScape, che al momento della loro presentazione era considerata rivoluzionaria, è che utilizza un design senza anodo.
Consente una ricarica rapida di circa 15 minuti (10‑80% a 45 ºC) e il separatore è non infiammabile e non combustibile.
Source: QuantumScape
Questo posiziona anche le batterie QuantumScape in una categoria a parte per quanto riguarda la densità energetica e la velocità di ricarica, superando di gran lunga leader come Tesla (TSLA ) (sia il suo design che quelli prodotti da CATL).
Source: QuantumScape
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 a un calo del prezzo delle azioni.
Questo sembra cambiare dal 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.
Sotto l’accordo di licenza non esclusivo, PowerCo può produrre fino a 40 gigawatt‑ora all’anno di batterie per veicoli elettrici, con la possibilità di espandere a 80 GWh all’anno.
L’improvvisa scalata della produzione di QuantumScape è collegata a Cobra, il prossimo equipaggiamento separatore per batterie allo stato solido dell’azienda, una svolta nella produzione di ceramiche.
In generale, Cobra dovrebbe essere integrato nella produzione nel 2025, e il primo veicolo elettrico finito con batterie QuantumScape dovrebbe essere prodotto nel 2026.
Source: QuantumScape
Questo potrebbe rappresentare un punto di 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 produttori di automobili al mondo.
The relation with PowerCo is getting closer in 2025, con batterie allo stato solido usate in una moto Ducati, e poiché PowerCo fornirà fino a 131 milioni di dollari in nuovi pagamenti nei prossimi due anni una volta che il team congiunto di scaling avrà raggiunto determinati traguardi.
“Questo accordo ampliato è un chiaro segnale dell’allineamento strategico, tecnico e finanziario in crescita tra le due aziende.
Riflette la nostra fiducia condivisa in QSE‑5 come piattaforma rivoluzionaria per l’industria delle batterie.”
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.
(Puoi anche consultare altre aziende di batterie negli USA e all’estero nel nostro articolo
“Top 10 Battery Stocks To Invest In”).
Studio di riferimento
1. Jin An Sam Oh, et al. Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes. Joule. 102130. 16 settembre 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui, et al. A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery. Nature. 17 settembre 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
