Energia
Il lavoro continua sulle batterie allo stato solido mentre i ricercatori si concentrano sugli elementi essenziali
Le batterie allo stato solido, che sono utilizzate in smartphone, utensili elettrici e veicoli elettrici, differiscono dalle batterie Li‑ion per l’uso degli elettroliti. Mentre una batteria Li‑ion utilizza un elettrolita liquido, una batteria allo stato solido utilizza un elettrolita solido.
Nel caso delle batterie Li‑ion, è presente un separatore per tenere separati catodo e anodo. Nelle batterie allo stato solido, l’elettrolita solido svolge anche il ruolo di separatore.
Sebbene questi siano solo tratti distintivi, la comunità scientifica e tecnologica ha sviluppato le batterie allo stato solido perché offrono una maggiore stabilità grazie a una struttura solida e una sicurezza aumentata. Continuano a lavorare su di esse poiché queste batterie mantengono la loro forma anche se l’elettrolita è danneggiato.
Una batteria allo stato solido presenta una densità energetica più elevata e rischia quasi nulla di esplosioni o incendi. Poiché non richiede componenti di sicurezza aggiuntivi, è disponibile più spazio per inserire materiali attivi, aumentando la capacità della batteria. La densità energetica migliorata garantisce anche che la necessità di batterie rimanga bassa, risultando in un sistema di batteria EV ottimale per il modulo e il pacco.
Per questi vantaggi, gli esperti di mercato credono principalmente che le batterie allo stato solido diventeranno un punto di svolta, consentendo ai veicoli elettrici di competere con i veicoli a combustione interna e, alla fine, di avanzare nella corsa. Ma ciò non impedisce i ricercatori di esplorare come rendere le batterie allo stato solido più utili. In una di queste ricerche, gli scienziati hanno ipotizzato una batteria allo stato solido ultra‑sottile in litio metal con alta densità energetica, resa possibile da un elettrolita solido di tipo granato resistente al Li2CO3.
Anche se tutto ciò può sembrare troppo tecnico, nella sezione successiva approfondiremo la comprensione di ciò che la ricerca intende ottenere!
Abilitare una piattaforma di batterie allo stato solido in litio metal ultra‑sottile con alta stabilità e densità energetica
Il professor Byoungwoo Kang e il dottor Abin Kim del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del POSTECH hanno sviluppato un elettrolita solido che consente una piattaforma di batterie allo stato solido in litio metal ultra‑sottile con alta stabilità e densità energetica.
La scoperta ha ottenuto risultati risolvendo una delle cause più comuni di preoccupazione per le batterie allo stato solido. Qual era quel problema e come poteva essere risolto? Diamo un’occhiata approfondita di seguito!
Il problema LLZO
L’elettrolita solido di tipo garnet utilizzato nelle batterie allo stato solido, noto anche come Li7La3Zr2O12 o LLZO, ha un’alta conduttività ionica. Allo stesso tempo è molto reattivo e forma uno strato di contaminazione (Li2CO3) sulla sua superficie quando esposto all’aria. Questo strato comporta diversi svantaggi o ostacoli, tra cui la formazione di una barriera resistiva nella costruzione della cella, la riduzione delle proprietà di contatto e interfaccia degli elettroliti e dei reagenti, ecc.
L’innovazione ha affrontato questo ostacolo e lo ha ribaltato concentrandosi sugli elementi essenziali intrinseci anziché cercare una soluzione esterna. I ricercatori hanno sviluppato una tecnologia LLZO gestibile in aria (AH‑LLZO) che può migliorare simultaneamente le proprietà superficiali e interne del LLZO e prevenire la formazione di strati contaminanti.
Hanno raggiunto il loro obiettivo sviluppando un nuovo composto idrofobico (Li‑Al‑O) sia sulla superficie che all’interno del materiale. Questo composto impediva alla contaminazione di diffondersi internamente facendo reagire lo strato solo con l’umidità dell’aria.
Lo strato, come soluzione con proprietà di contatto e bagnabilità migliorate, ha anche portato allo sviluppo di batterie allo stato solido in litio ultra‑sottili, circa un decimo dello spessore di un capello umano.
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Perché la ricerca è considerata una svolta?
I risultati hanno portato a uno scenario in cui è possibile preparare strati ultra‑sottili di litio metal, ottenendo un rapporto capacità anodo‑catodo molto basso, circa 0.176 nelle batterie allo stato solido.
L’esperimento consente anche una riduzione significativa della quantità di litio metal utilizzata, riducendo il peso e il volume complessivi della batteria e migliorando notevolmente la densità energetica.
Se implementata, la ricerca e i suoi risultati consentirebbero lo stoccaggio all’aria senza la necessità di manipolazioni o strutture speciali. Oltre a semplificare l’intero processo, l’innovazione porta alla produzione di elettroliti solidi di tipo granato con una praticità d’uso maggiore.
Parlando del futuro, il professor Byoungwoo Kang ha osservato:
“Continueremo a lavorare su batterie allo stato solido in litio metal ultra‑sottili che possano raggiungere alta sicurezza e alta densità energetica.”
La ricerca dimostra che concentrarsi sugli elementi essenziali può aiutarci a trasformare i punti deboli di un prodotto in punti di forza. Aziende e realtà commerciali stanno investendo in ricerca e risorse per rendere le batterie allo stato solido più adatte e vantaggiose per le future automobili. Nei segmenti seguenti, esamineremo queste aziende e le loro innovazioni.
#1. Solid Power
Una società che svolge un lavoro eccezionale in questo campo è Solid Power. Le sue batterie completamente allo stato solido offrono alta energia, sicurezza migliorata, durata più lunga e vantaggi di costo significativi.
Consente l’uso di elettrodi ad alta capacità come silicio ad alto contenuto e litio metal, migliorando al contempo gli standard di sicurezza mediante la rimozione dei componenti liquidi e gel volatili e reattivi.
Il risultato è evidente in batterie che possono resistere e funzionare efficientemente a temperature estremamente elevate. L’azienda afferma che i suoi prodotti hanno un vantaggio di costo del 15‑35% rispetto ai pacchi Li‑ion.
Il portafoglio di batterie completamente allo stato solido di Solid Power comprende tre prodotti principali: silicon EV Cells, Lithium Metal cells e Conversion Reaction Cells.
Silicon EV Cell
Presenta un anodo ad alto contenuto di silicio, che consente alte velocità di carica e capacità di funzionare a temperature più basse. Gli elettroliti solidi a base di solfuri proprietari di Solid Power alimentano la soluzione. Utilizza catodi NMC standard di settore, commercialmente maturi.
Lithium Metal
Il prodotto prende il nome dai suoi anodi in litio metal ad alta energia. Ha una capacità leggermente superiore rispetto alla Silicon EV cell, che ha una specifica di 390 Wh/kg, mentre la cella Lithium metal ha 440 Wh/kg.
Conversion Reaction Cell
Tra tutti i prodotti del portafoglio di Solid Power, ha la massima capacità di prestazione di 560 Wh/kg. La sua unicità risiede nel catodo di tipo conversione a costo ultra‑basso e alta energia specifica.
Con sede in Colorado, Stati Uniti, Solid Power crede fermamente nella capacità trasformativa delle sue batterie. Ritiene che le sue celle di batterie completamente allo stato solido soddisferanno i requisiti di volume e costo dei produttori di apparecchiature originali (OEM).
(SLDP )
Nel suo più recente deck di investimento disponibile, l’azienda (Nasdaq: SLDP) afferma di essere l’unico sviluppatore di batterie vero‑solido allo stato solido quotato in borsa, puro, ad aver raccolto finora 700 milioni di dollari. L’azienda prospera grazie a una storia di investimenti in R&D di oltre un decennio, che ha prodotto quasi 50 famiglie di brevetti a livello globale e tre partner di sviluppo leader nel settore (BMW, Ford, SK On).
#2. QuantumScape
QuantumScape, un altro attore importante nel settore, dichiara di avere la missione di ‘trasformare lo stoccaggio di energia con la tecnologia delle batterie allo stato solido in litio metal.’ Afferma inoltre di ‘abilitare’ una maggiore densità energetica, una ricarica più veloce e una sicurezza migliorata – le tre qualità di base essenziali su cui si concentra anche la ricerca del POSTECH.
Una delle caratteristiche più notevoli di QuantumScape è che ha sviluppato il primo design di cella senza anodo dell’industria, ottenendo un’alta densità energetica con costi dei materiali ridotti e una produzione semplificata.
La piattaforma tecnologica di Quantumscape utilizza una varietà di chimiche di catodo per migliorare significativamente le densità energetiche delle attuali celle batteriche basate su Nickel Manganese Cobalt (NMC) e Lithium Iron Phosphate (LFP). I loro sforzi garantiscono l’ottimizzazione per diverse applicazioni di stoccaggio di energia e mantengono il settore pronto a sfruttare i futuri progressi nella chimica dei catodi.
Un altro punto di forza dell’azienda è il materiale del separatore, che è realizzato in ceramica che offre alta conduttività, stabilità al litio metal, resistenza alla formazione di dendriti e bassa impedenza interfaciale. Un ulteriore vantaggio dell’uso della ceramica è la maggiore sicurezza, poiché è non combustibile e quindi più sicura rispetto ai tradizionali separatori in polimero che contengono idrocarburi e sono più soggetti a incendi.
QuantumScape punta a 800‑1000 Wh/L con le sue celle di litio metal allo stato solido.
(SLDP )
Financially, QuantumScape (NYSE: QS) è sostenuta da oltre US$2 miliardi di investimenti di capitale. Ha più di 300 brevetti e domande di brevetto nel suo portafoglio.
Il futuro delle batterie allo stato solido
Le batterie allo stato solido non sono più una tecnologia del futuro perché il futuro è già arrivato. Molte ricerche all’avanguardia provenienti da istituti di eccellenza stanno facendo progredire la loro causa ogni giorno.
Ad esempio, a gennaio 2024, ricercatori della Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno presentato una batteria allo stato solido con litio metal capace di fornire 6.000 cicli di carica/scarica — significativamente più di qualsiasi altra cella a sacchetto sul mercato.
La ricerca è simile a quella citata all’inizio del nostro articolo, poiché i ricercatori di Harvard hanno anche affrontato il noto problema della formazione di dendriti sulla superficie dell’anodo.
Oltre alle aziende specializzate di cui abbiamo discusso, tra cui Solid Power e QuantumScape, ci sono anche grandi attori in questo campo. Ad esempio, nell’ottobre 2023, Toyota e Idemitsu Kosan hanno annunciato una partnership per sviluppare batterie allo stato solido per i veicoli elettrici.
La visione che ha guidato questa collaborazione era ambiziosa, per non dire altro. Nella comunicazione stampa si leggeva:
“Attraverso questa collaborazione, le due aziende, leader mondiali nei campi, inclusi lo sviluppo di materiali relativi alle batterie completamente allo stato solido, mirano a garantire la commercializzazione di successo delle batterie completamente allo stato solido nel 2027‑28 — come annunciato al Toyota Technical Workshop di giugno 2023 — seguita da una produzione di massa su larga scala.”
Un’altra azienda che ha deciso di fare un grande salto in questo settore è stata Honda. L’azienda è attiva in questo ambito da tempo. A gennaio 2024, le autorità di Honda hanno dichiarato di puntare a una riduzione del 50% del peso — o, per dirla diversamente, a un aumento del 50% della densità energetica per peso.
Il CEO di Honda, Toshihiro Mibe, ha spiegato che se Honda volesse creare un’auto dal costo di 30.000 $, potrebbe considerare le batterie allo stato solido perché i costi della batteria diminuirebbero, l’autonomia aumenterebbe e il sistema di raffreddamento potrebbe essere semplificato.
Tuttavia, gli sforzi globali per rendere le batterie allo stato solido più robuste e sicure stanno ancora affrontando alcune sfide. L’obiettivo è ottimizzare le loro proprietà di base, inclusi sicurezza, stabilità, prestazioni energetiche ed efficienza di immagazzinamento elettrochimico. Gli ostacoli, invece, includono la fattibilità delle prestazioni a lungo termine, la fattibilità economica e la consegna accurata di standard di potenza specifici.
Se approfondiamo, vedremo che le sfide includono anche una prestazione di ciclaggio inadeguata nelle attuali batterie allo stato solido (SSB) a causa del degrado dei materiali negli anodi, catodi ed elettroliti. Il Consiglio degli Stati Uniti per la Ricerca Automobilistica ha fissato un obiettivo di durata della batteria di 10 anni con 1000 cicli al 80% di profondità di scarica.
Ciò che impedisce alle batterie allo stato solido di raggiungere spesso questo obiettivo è la formazione di strati di carica spaziale, che porta a una cinetica interfaciale lenta e alta impedenza, e la crescita di dendriti, che causa cortocircuiti e rischi per la sicurezza.
Tuttavia, esistono soluzioni a queste sfide. I produttori dovranno concentrarsi sulla produzione di SSB ad alta densità energetica e miglioramenti. Dopotutto, questi prodotti hanno un’alta stabilità termica, eliminando i problemi di sicurezza anche a temperature superiori a 200 °C, mentre gli elettroliti liquidi possono rappresentare una minaccia appena sopra i 70 °C. Gli elettroliti allo stato solido possono offrire un funzionamento senza perdite e conferire una maggiore stabilità elettrochimica rispetto ai loro equivalenti liquidi.
Gli elettroliti allo stato solido sono anche più desiderabili poiché possono ridurre l’usura della capacità e i cortocircuiti interni. La loro alta conduttività ionica e bassa conduttività elettronica garantiscono anche una ricarica più rapida dei veicoli.
Secondo le stime di QuantumScape, un veicolo che ottiene circa 350 miglia di autonomia con una singola carica utilizzando una delle principali celle al litio‑ion tradizionali di oggi con una densità energetica di ~700 Wh/L potrebbe raggiungere tra 400 e 500 miglia di autonomia usando le celle allo stato solido di QuantumScape.
In generale, le batterie allo stato solido sono indispensabili per la mobilità futura. Dovrebbero essere efficienti, sicure, convenienti e durature.
