Batterie allo stato solido nei droni: vittorie, ostacoli e futuro per gli operatori

Il risultato? Un volo continuo di 48 minuti e 10 secondi: qualcosa che sarebbe stato impensabile con gli ioni di litio solo pochi anni fa. Per chiunque nel settore, non è solo un numero; ne è la provastato solidopuò risolvere due dei maggiori problemi degli operatori di droni: tempi di volo brevi e preoccupazioni per la sicurezza. Quel volo di prova non ha solo battuto un record, ma ha dimostrato che gli eVTOL (e i droni, in generale) potrebbero presto gestire missioni più lunghe e affidabili senza rinunciare alla sicurezza.

Anche Panasonic è intervenuta, con una media dibatteria allo stato solidocostruiti appositamente per i droni più piccoli e le loro specifiche raggiungono un punto debole per gli operatori impegnati. Immagina di caricare la batteria di un drone dal 10% all'80% in 3 minuti. Per un team di consegna che effettua più di 20 voli al giorno, ciò riduce i tempi di inattività da 30 minuti (con gli ioni di litio) a quasi zero. Ancora meglio? Dura da 10.000 a 100.000 cicli di ricarica a temperatura ambiente. Un'impresa di costruzioni con cui collaboriamo ci ha detto che sostituiscono le batterie agli ioni di litio ogni 6 mesi: questa opzione Panasonic potrebbe durare più di 5 anni. Si tratta di un enorme risparmio sui costi, ma significa anche che meno batterie finiscono nelle discariche, qualcosa che i clienti chiedono sempre più spesso mentre puntano sulla sostenibilità.

Ma ecco la cosa che non edulcoriamo per i clienti: lo stato solido ha ancora dei passi da compiere prima di essere in ogni drone. Abbiamo parlato con dozzine di operatori di droni di piccole e medie dimensioni negli ultimi 6 mesi e le loro preoccupazioni riconducono tutte alle stesse sfide, che vanno oltre le "buone specifiche sulla carta".

Prendi prima i costi. I materiali da soli sono più costosi: gli elettroliti solidi in queste batterie costano più di quelli liquidi negli ioni di litio, e le macchine necessarie per fabbricarle? Non sono standard. Un produttore di droni startup in Texas ci ha detto che volevano passare allo stato solido, ma il costo iniziale di riorganizzare la configurazione della batteria avrebbe consumato l’intero budget annuale. Per i grandi player come EHang o Panasonic questo è gestibile, ma per la maggior parte degli operatori al momento rappresenta una barriera.

Poi c'è il problema della "stabilità dell'interfaccia": termini fantasiosi per una questione semplice: l'elettrolita solido e gli elettrodi della batteria devono rimanere in contatto stretto e costante per funzionare bene. Ma ogni volta che la batteria si carica e si scarica, gli elettrodi si restringono e si espandono leggermente. Nel corso del tempo, ciò crea piccoli spazi vuoti e la batteria perde potenza più velocemente. Lo abbiamo visto in prima persona con un test con un drone agricolo la scorsa primavera: dopo 50 cicli, il tempo di volo della batteria a stato solido è diminuito del 12%: non un problema, ma abbastanza da far sì che l’agricoltore si chiedesse: “Le cose peggioreranno?” In questo momento, la risposta è “forse”, finché i produttori non troveranno materiali per elettrodi più durevoli.

La fragilità è un altro grattacapo, soprattutto per i droni che volano in condizioni difficili. La maggior parte degli elettroliti solidi a base ceramica sono resistenti, ma non flessibili. Lo scorso inverno una squadra di ricerca e salvataggio in Colorado ha testato una batteria con elettrolita ceramico; durante un atterraggio su un terreno roccioso, l'involucro della batteria si è rotto (per fortuna, nessun incendio) e il drone ha perso potenza. In questo scenario gli ioni di litio potrebbero fuoriuscire, ma di solito continuano a funzionare abbastanza a lungo da atterrare in sicurezza. Per i droni che gestiscono le vibrazioni (come gli scanner dei cantieri edili) o gli atterraggi duri (come i droni per il monitoraggio della fauna selvatica), questa è una grande preoccupazione.

Persino i dendriti di litio, quelle minuscole strutture aghiformi che mettono in corto le batterie agli ioni di litio, non sono completamente scomparsi. Sono più rari nelle batterie a stato solido, ma abbiamo sentito dagli ingegneri delle batterie che a velocità di ricarica elevate (come la ricarica di 3 minuti di Panasonic), i dendriti possono ancora formarsi. È un rischio minore, ma per gli operatori che volano su aree affollate, “più piccolo” non è sempre “abbastanza buono”.

Il caldo è un'altra sorpresa. Lo stato solido è più sicuro alle alte temperature rispetto agli ioni di litio, ma non dissipa altrettanto bene il calore. Un drone utilizzato per compiti ad alta potenza, come il sollevamento di carichi utili pesanti o il volo alla massima velocità per lunghi periodi, può accumulare rapidamente calore. Abbiamo lavorato con un cliente logistico testando un drone a stato solido per la consegna di pacchi da 50 libbre; dopo 25 minuti di volo, la batteria si è surriscaldata tanto da costringere il software del drone ad atterrare anticipatamente. Hanno dovuto aggiungere un dissipatore di calore leggero, che ha ridotto la capacità di carico utile, vanificando parte dello scopo del passaggio allo stato solido.

E non dimentichiamoci della scala manifatturiera. Al momento, la maggior parte delle batterie allo stato solido viene prodotta in piccoli lotti. Un operatore di droni che ha bisogno di 100 batterie al mese potrebbe attendere 6-8 settimane per la consegna, mentre le batterie agli ioni di litio sono disponibili lo stesso giorno. Fino a quando le fabbriche non riusciranno a produrre batterie allo stato solido con la stessa rapidità (ed economica) di quelle agli ioni di litio, l’adozione rimarrà lenta per tutti tranne che per i team più grandi.

Anche per quanto riguarda gli elettroliti solidi stessi, non esiste una soluzione valida per tutti. La ceramica è ottima per la conduttività – lascia che gli ioni si muovano velocemente, il che significa più potenza – ma sono fragili, come abbiamo visto. I polimeri sono flessibili, quindi gestiscono meglio le vibrazioni, ma sono più lenti a temperatura ambiente: va bene per un drone agricolo che si muove lentamente, ma male per un drone per consegne veloci. I solfuri sono la via di mezzo: buona conduttività e flessibilità, ma reagiscono all'umidità. Un operatore di droni costieri in Florida ci ha detto che dovevano aggiungere un involucro impermeabile alle batterie a base di solfuro, il che aggiungeva peso. La scelta dell'elettrolita giusto dipende interamente da cosa fa il drone e da dove vola.

Ma ecco la buona notizia: ogni sfida che abbiamo menzionato viene risolta, un test alla volta. Il volo di EHang non è stato un colpo di fortuna; è un segno che i produttori stanno cercando di capire come adattare lo stato solido ai droni. La batteria a ricarica rapida di Panasonic non è solo un prototipo: sta iniziando a essere spedita a clienti selezionati. E man mano che sempre più operatori richiederanno lo stato solido, i costi diminuiranno.

Per chiunque gestisca un’attività di droni in questo momento, la domanda non è “se” lo stato solido prenderà il sopravvento, ma “quando e come prepararsi”. Inizia in piccolo: prova alcune batterie a stato solido con i droni più richiesti (come consegna o ricerca e salvataggio) e monitora il risparmio in termini di tempo e sostituzioni. Parla con il tuo fornitore di batterie di soluzioni personalizzate: molti sono disposti a modificare gli elettroliti per il tuo caso d'uso specifico.

Lo stato solido non è ancora perfetto, ma è già migliore degli ioni di litio negli aspetti che contano di più: voli più lunghi, operazioni più sicure e tempi di inattività inferiori. E come i nodi verranno risolti? Stiamo guardando a un futuro in cui i droni non si limitano a “portare a termine il lavoro”, ma lo fanno più velocemente, in modo più economico e in più posti che mai.

Se sei curioso di sapere quale batteria a stato solido è adatta per i tuoi droni o vuoi saperne di più sui test che abbiamo eseguito con i clienti, scrivici. Non si tratta solo di discorsi tecnici: si tratta di rendere le operazioni con i droni più efficaci per te.