Batterie allo stato solido: quando i "sostituti" diventeranno "principali"?

Batterie allo stato solidostanno emergendo come fonte di energia di prossima generazione, ma è probabile che le batterie ibride solido-liquido verranno commercializzate per prime e fungeranno da ponte cruciale tra le odierne celle liquide agli ioni di litio e i futuri sistemi completamente allo stato solido.

Cosa sono le batterie allo stato solido

Le batterie allo stato solido sostituiscono gli elettroliti liquidi infiammabili con materiali solidi consentendo allo stesso tempo una maggiore densità di energia e migliori prestazioni di sicurezza. I loro catodi possono utilizzare materiali ad alta energia come composti a base di manganese ricchi di litio, mentre l’anodo può combinare nano-silicio e grafite per spingere la densità di energia verso 300-450 Wh/kg.

Un elettrolita solido trasporta gli ioni di litio senza rischio di perdite e riduce significativamente la probabilità di fuga termica.

Anodi di maggiore capacità e catodi ad alta tensione offrono alle batterie a stato solido il potenziale per una maggiore autonomia nei veicoli elettrici e una migliore resistenza nei droni o nei sistemi di stoccaggio dell’energia.

Ibrido solido-liquido come transizione

L'articolo distingue le batterie al litio liquide, ibride solido-liquido e tutte allo stato solido, sottolineando che i progetti ibridi rappresentano una fase di transizione essenziale. Le batterie semi-solide, quasi-solide e “solide” sul mercato rientrano in gran parte in questa categoria ibrida, differendo solo per il rapporto tra elettrolita liquido e solido.

Le batterie ibride solido-liquido contengono ancora un po’ di elettrolita liquido, che migliora il contatto con i materiali attivi e facilita la produzione.

Le batterie completamente allo stato solido contengono solo elettrolita solido, offrendo una migliore sicurezza intrinseca e una maggiore densità di energia teorica, ma affrontando oggi sfide ingegneristiche più severe.

Barriere tecniche allo stato solido completo

Sebbene molte aziende e istituti di ricerca in tutto il mondo stiano investendo nella tecnologia a stato solido, nessuna cella di alimentazione a stato solido di grande capacità ha ancora eguagliato le batterie agli ioni di litio liquido in termini di prestazioni e costi. La difficoltà principale risiede nell’interfaccia solido-solido, dove i materiali rigidi dell’elettrolita rendono difficile mantenere un contatto intimo con gli elettrodi durante i cicli e le variazioni di volume.

I percorsi attuali includono batterie allo stato solido ai polimeri, a film sottile, al solfuro e all’ossido, ciascuna con vantaggi e limiti distinti.

Ad esempio, le celle polimeriche a stato solido hanno difficoltà a temperatura ambiente e con catodi ad alta tensione, mentre i sistemi al solfuro sono sensibili all’aria e richiedono condizioni di produzione impegnative.

Strategia di solidificazione in situ

Per superare i problemi di interfaccia sfruttando al tempo stesso l’infrastruttura esistente per gli ioni di litio, i ricercatori propongono un approccio di solidificazione in situ per elettroliti ibridi solido-liquido. Durante l'assemblaggio delle cellule, un precursore liquido assicura una buona bagnatura e contatto; successivamente, reazioni chimiche o elettrochimiche convertono tutto o parte di questo liquido in un elettrolita solido all'interno della cella.

Questo metodo migliora il contatto elettrodo-elettrolita, sopprime la crescita dei dendriti di litio e bilancia sicurezza, alta tensione e prestazioni di carica rapida.

Può anche riutilizzare gran parte dell’attuale processo di produzione degli ioni di litio liquidi, aiutando i produttori a crescere più rapidamente e a ridurre i costi.

Direzioni di sviluppo futuro

Gli esperti prevedono che le batterie al litio interamente allo stato solido avranno bisogno di circa altri cinque anni prima della vera commercializzazione su larga scala, quindi le batterie ibride solido-liquido rimangono un percorso realistico a breve termine. Per accelerare l’industrializzazione, l’articolo evidenzia la necessità di progressi coordinati nei materiali, nella progettazione delle celle, nella produzione e negli standard.

Le priorità includono: lo sviluppo di elettroliti solidi con conduttività ionica, stabilità e lavorabilità bilanciate; elettrodi ad alta energia abbinati come catodi ad alto contenuto di nichel e anodi metallici di silicio-carbonio o litio; e l’integrazione della simulazione digitale con la produzione intelligente.

L’industria è incoraggiata a costruire solide catene di approvvigionamento per i materiali chiave, investire in apparecchiature automatizzate, perfezionare i sistemi di test e valutazione e evolvere gradualmente dall’ibrido solido-liquido batterie agli ioni di litioverso batterie al litio metallico completamente allo stato solido.