Batteria a stato solido: soluzione o illusione?

Nelle conversazioni sulla durata, la capacità e la velocità di ricarica delle batterie nelle auto elettriche, ci sono voci sull’imminente invenzione di una soluzione a semiconduttore che eliminerà molti dei problemi affrontati oggi dall’industria dei BEV. Per ora però si sentono solo promesse, e un’auto elettrica con batteria a semiconduttori non è mai esistita.

Qual e il punto sulla situazione?

Problema di base

Va notato che non esiste un metodo economico per immagazzinare l’elettricità. Una soluzione parziale a questo problema è la batteria, ma è tutt’altro che ideale.

Ci sono anche diversi problemi con l’attuale tecnologia agli ioni di litio utilizzata nelle autovetture: bassa densità energetica, che si traduce in un grande volume della batteria e ancora più peso. Questo problema non può essere risolto.

La critica valida riguarda la ricarica, la cosiddetta “ricarica rapida” non è veramente veloce e, anche se lo è, ha un impatto molto negativo sulla durata delle batterie, sia su quelle ibride agli ioni di litio che quelle al nichel-metallo.

I progettisti hanno cercato per anni soluzioni a questi problemi chiave e la batteria a stato solido rimane l’insuperabile Santo Graal.

Struttura, confronto, materiali

Le batterie a semiconduttore sono prodotte utilizzando una tecnologia che utilizza elettrodi solidi e un elettrolita solido invece del liquido o del gel polimerico noto per le batterie agli ioni di litio.

Questa tecnologia non è nuova. Gli elettroliti solidi furono scoperti nel XIX secolo, ma i loro numerosi difetti ne impedirono un uso diffuso. Gli eventi che hanno avuto luogo alla fine del XX secolo all’inizio del XXI secolo hanno ravvivato l’interesse per questo argomento, soprattutto nel contesto dei veicoli elettrici.

Le batterie a stato solido possono essere una potenziale soluzione a molti dei problemi delle batterie agli ioni di litio liquide, come l’infiammabilità, la tensione limitata, le scarse prestazioni cicliche e l’instabilità.

I materiali suggeriti per l’uso, come elettroliti solidi, nelle batterie a semiconduttore sono ceramiche (ad esempio ossidi, solfuri, fosfati) e polimeri solidi. Questa tecnologia non è nuova e ci sono già applicazioni pratiche di essa. Le batterie a semiconduttore sono utilizzate nei pacemaker, nelle comunicazioni radio e nei dispositivi portatili. Queste batterie sono potenzialmente più sicure, hanno una maggiore densità energetica e hanno lo svantaggio di essere costose.

Molte persone dimenticano, sebbene questo sia un aspetto molto importante, che la stragrande maggioranza degli elettroliti liquidi non sono sostanze rispettose dell’ambiente. Circa. Il 90-95% dei materiali utilizzati nelle batterie odierne può essere riciclato solo in teoria, il che non è trascurabile. Quando si tratta della sicurezza delle batterie odierne, presentano gravi inconvenienti: possono perdere, sono infiammabili e dannose per l’ambiente. Questo è un altro argomento a favore della sostituzione della tecnologia attuale.

Laboratorio e realtà

La batteria a stato solido sembra una grande idea, in teoria, ma la sua implementazione pratica è molto complicata. I costruttori affrontano molti problemi durante la costruzione. Uno dei migliori esempi è la leadership. Un decennio fa, il consenso scientifico unanime era che questi materiali sono circa due tacche peggiori degli elettroliti liquidi. Grazie ai miglioramenti, il problema non è più così grave: le prestazioni degli elettroliti solidi si sono avvicinate a quelle dei liquidi.

Lo stesso vale per il numero di cicli di ricarica. In passato il problema cardine era la variazione di volume durante l’uso dovuta agli sbalzi di temperatura, che nel caso della tecnologia NCA poteva essere superiore al 10%, e questo provoca il graduale degrado dell’elettrolita solido.

Oggi è possibile ottenere più di 20.000 cicli di ricarica in condizioni di laboratorio. Qui incontriamo ostacoli che finora non sono stati risolti. In breve, attualmente non esiste una tecnologia di produzione adeguata.

La piastra di ceramica che vogliamo inserire nella batteria dovrebbe essere estremamente sottile, circa due micrometri o meno. È un materiale estremamente sottile: in confronto, un foglio A/4 di carta per stampanti ha uno spessore medio di 80 micrometri.

Le batterie a semiconduttore che utilizzano sottili strati ceramici utilizzate oggi nei laboratori sono quindi in molti casi cosiddette batterie a film sottile. Ciò significa che in condizioni di laboratorio è possibile ottenere uno spessore totale adeguato di anodo, catodo, elettrolita solido/separatore di 2 micrometri.

Allora, qual è il problema? Sfortunatamente, è lì che si trova. Sebbene un sottile substrato ceramico soddisfi i criteri, pone un altro problema insormontabile: una cella sottile non può fornire una capacità che avrebbe un’applicazione pratica nel settore automobilistico. Per aggirare questa difficoltà, molte celle dovrebbero essere impilate l’una sull’altra, il che a sua volta degraderebbe seriamente la densità energetica a causa della grande quantità di materiale inerte o ridondante. In questo modo verrebbero vanificati eventuali vantaggi delle batterie con uno strato liquido di elettroliti.

Sostituire la ceramica con i polimeri potrebbe fare il trucco, ma poi la conducibilità ionica si deteriorerebbe, perché i polimeri sono conduttori di ioni molto più poveri della ceramica.

Sarà mai realizzata un’auto del genere?

Tutte le idee sono in fase di progettazione. Nel 2021, Toyota ha sviluppato il Concept LQ, ma questo veicolo non entrerà in produzione in serie.

Non importa quanto utopica possa sembrare al momento una batteria a stato solido, la possibilità di una futura produzione in serie non può essere categoricamente esclusa.

La pressione del mercato è enorme, i fondi destinati alla ricerca sono in aumento, quindi c’è ancora una concreta possibilità che tra qualche anno si trovi la tecnologia di produzione adeguata, e la soluzione si trova nelle auto degli showroom.

Fonti:

• https://repository.omikk.bme.hu/bitstream/handle/10890/16360/00017820.pdf?sequence=1
• https://en.wikipedia.org/wiki/Solid-state_battery#Electric_vehicles
• https://en.wikipedia.org/wiki/Toyota_concept_vehicles_(2010%E2%80%932019)#LQ_Concept_(2019)