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Batteria allo stato solido, salto di qualità grazie all’elettrolita solido

La batteria allo stato solido, come è fatta, per cosa differisce da una batteria al litio tradizionale, quali sono i vantaggi per le auto elettriche.

Il futuro della mobilità elettrica è legato allo sviluppo delle batterie allo stato solido che potranno dare sicuramente un deciso impulso alla diffusione di auto elettriche. Il vantaggio rispetto alla batteria al litio tradizionale (con elettrolita liquido) è l’aumento significativo dell’autonomia e la riduzione dei tempi di ricarica.

Batteria allo stato solido

Al centro della rivoluzione c’è l’elettrolita: le batterie allo stato solido sono un’evoluzione delle batterie agli ioni di litio dove l’elettrolita non è più liquido, ma solido, e non solo.
In una batteria al litio tradizionale ci sono 4 elementi: anodo (-), catodo (+), elettrolita liquido ed un separatore. Durante la carica, gli ioni di litio fluiscono dall’anodo al catodo (anodo → canodo) muovendosi nell’elettrolita liquido passando per il separatore. Durante la scarica il processo è inverso, gli ioni passano dal catodo verso l’anodo (catodo → anodo).

come è fatta una batteria agli ioni di litio
Come è fatta una batteria agli ioni di litio con 4 componenti principali, anodo, catodo, elettrolita e separatore.

Nelle batterie allo stato solido gli elementi si riducono a tre, con anodo, catodo ed elettrolita che diventa solido con una duplice funzione di conduttore ionico e separatore ed il compito di trasmettere l’energia elettrica dall’elettrodo negativo (anodo) a quello positivo (catodo) e viceversa.

Differenza tra batteria al litio tradizionale e batteria allo stato solido.
Differenza tra batteria al litio tradizionale (a SX) e batteria allo stato solido (a DX)

L’elettrolita solido può essere realizzato con diversi materiali ed essere di tipo polimerici, ceramico o altro tipo.

  1. Materiali polimerici: gli elettroliti polimerici solidi sono costituiti da polimeri conduttivi ionici, che consentono il trasporto di ioni attraverso la loro struttura molecolare. Questi polimeri possono essere sintetizzati in laboratorio o ottenuti da fonti naturali. Gli esempi includono polietileneossido (PEO) modificato con sali di litio, poli(etileneossido)-poli(dimetilsilossano) (PEO-PDMS), poli(etileneossido)-poli(ossido di propilene) (PEO-PPO), e altri. Gli elettroliti polimerici offrono flessibilità meccanica e possono essere processati in film sottili, consentendo l’integrazione in diverse geometrie di celle.
  2. Materiali ceramici: gli elettroliti ceramici solidi sono composti da strutture cristalline o vetrosi che facilitano il trasporto ionico. Questi materiali ceramici includono ossidi, fosfati, solfuri e solidi a stato misto. Alcuni esempi comuni sono l’ossido di litio e alluminio (LiAlO2), l’ossido di litio e titanio (Li4Ti5O12), il solfuro di litio e zolfo (Li2S-Li2S2), e altri. Gli elettroliti ceramici sono noti per la loro elevata conducibilità ionica a temperature ambiente e per la loro stabilità chimica.
  3. Materiali ibridi: alcune batterie allo stato solido utilizzano elettroliti solidi ibridi, che combinano proprietà dei materiali polimerici e ceramici. Questi materiali possono offrire una migliore conducibilità ionica rispetto ai polimeri puri e una maggiore flessibilità rispetto ai ceramici puri. Ad esempio, gli elettroliti polimerici-ceramici combinano polimeri conduttori ionici con nanoparticelle ceramiche per migliorare le prestazioni complessive della batteria.

In una batteria a stato solido, l’elettrolita liquido presente nelle batterie agli ioni di litio (vedi immagine sotto è la batteria a sinistra) viene quindi sostituito dall’elettrolita solido (batteria nell’immagine sotto a destra) in meno volume complessivo così che, oltre a fornire una densità di energia maggiore Wh/m3, occupa meno spazio a parità di capacità.

Batteria tradizionale a sinistra vs batteria allo stato solido a destra.
Batteria tradizionale a sinistra vs batteria allo stato solido a destra. A destra, si vede che scompare l’elettrolita liquido e in rosso si vede il separatore con funzione di elettrolita.

A livello geometrico-dimensionale, nell’immagine sopra si può anche vedere il minor volume occupato da una batteria allo stato solido con la differenza sensibile della distanza tra anodo e catodo, molto maggiore nella batteria al litio tradizionale. E’ ovvio che la variazione di volume dell’elettrolita tra liquido e solido dipende principalmente dalla struttura e dalla densità dei materiali utilizzati. Tuttavia, possiamo considerare alcuni fattori generali che influenzano questo cambiamento:

  1. Il volume dell’elettrolita liquido è solitamente maggiore ed occupa uno spazio quasi sempre maggiore rispetto agli elettroliti solidi. Questo perché i liquidi si distribuiscono e si adattano alla forma del contenitore in cui sono inseriti, riempiendolo completamente. Il volume occupato dall’elettrolita liquido dipende dalla quantità di liquido necessaria per immergere completamente gli elettrodi e consentire il trasporto degli ioni. E sotto certi valori non si può scendere. In questo caso bisogna anche considerare l’aggiuntivo volume del “separatore”.
  2. Il volume dell’elettrolita solido è generalmente inferiore rispetto a quello occupato dagli elettroliti liquidi. Questo perché i materiali solidi hanno una struttura più compatta e occupano meno volume in confronto al loro equivalente liquido. Tuttavia, è importante considerare che anche gli elettroliti solidi possono avere una certa porosità o essere compressi in una certa misura, il che può influenzare il loro volume totale.

Riducendo il volume necessario all’elettrolita solido che incorpora anche la funzione di separatore si ha conseguentemente una maggiore densità energetica complessiva della batteria.

CONTRO In termini di cambiamenti specifici di volume, dipende dalle caratteristiche specifiche dei materiali utilizzati e dalle condizioni di funzionamento della batteria. Ad esempio, alcuni elettroliti solidi possono espandersi o contrarsi durante il processo di carica/scarica della batteria, il che può influenzare il volume complessivo del sistema.

Maggiore capacità di erogazione istantanea di corrente

In una batteria allo stato solido la capacità delle singole celle di erogare corrente è fino a 5 volte superiore: le celle, grandi quanto una moneta, offrono una densità di energia doppia e potrebbero dunque, a parità di volume della batteria, quasi raddoppiare l’autonomia con una singola carica.
Questa caratteristica ovviamente si riflette anche sui tempi ricarica che si accorciano notevolmente.

Sono più sicure

Le batterie allo stato solido sono anche più sicure in quanto gli elettroliti solidi riducono significativamente il rischio di incendi o esplosioni, che possono verificarsi invece con le batterie tradizionali a causa delle perdite di elettrolita o dei cortocircuiti. Ciò rende le batterie allo stato solido una scelta più sicura, soprattutto in applicazioni dove la sicurezza è prioritaria, come nei veicoli elettrici.

Durano di più

Le batterie allo stato solido tendono ad avere una maggiore durata nel tempo rispetto alle batterie tradizionali, grazie alla maggiore stabilità degli elettroliti solidi. Ciò significa che possono sopportare un numero maggiore di cicli di carica/scarica senza subire un degrado significativo delle prestazioni.

Consideriamo anche come varia l’SOH (State of Health) nel tempo e per numero di cicli di ricarica quello di una batteria al litio tradizionale rispetto ad una batteria allo stato solido.
Vediamo come cambia il degrado nel tempo dell’SOH per una batteria al litio con elettrolita liquido:

  1. SOH nel tempo: nel corso del tempo, le batterie al litio tradizionali tendono a subire un graduale declino delle prestazioni, principalmente a causa di processi come la crescita dei dendriti e la formazione di film passivanti sugli elettrodi. Questi fenomeni possono causare un aumento dell’impedenza interna della batteria e una diminuzione della sua capacità complessiva, riducendo così il SOH nel tempo.
  2. SOH per numero di cicli: le batterie al litio tradizionali mostrano un calo graduale delle prestazioni man mano che vengono sottoposte a cicli di carica/scarica. Questo è dovuto alla degradazione degli elettrodi e dell’elettrolita durante i cicli, che può portare a una diminuzione della capacità e dell’efficienza della batteria. L’SOH di una batteria al litio tradizionale può diminuire significativamente dopo un numero di cicli relativamente elevato, solitamente nell’ordine di centinaia o qualche migliaio di cicli, a seconda delle condizioni di utilizzo e del design della batteria.

Batteria allo stato solido:

  1. SOH nel tempo: le batterie allo stato solido tendono ad avere una maggiore stabilità nel tempo rispetto alle batterie al litio tradizionali. Gli elettroliti solidi riducono il rischio di fenomeni come la formazione di dendriti e la degradazione degli elettrodi, contribuendo a mantenere un SOH più elevato nel corso del tempo. Tuttavia, alcune sfide come la crescita di interfacce solide e la formazione di film interfacciali possono comunque influenzare il SOH nel tempo, sebbene in misura minore rispetto alle batterie tradizionali.
  2. SOH per numero di cicli: le batterie allo stato solido tendono ad avere una maggiore resistenza alla degradazione durante i cicli di carica/scarica rispetto alle batterie al litio tradizionali. Gli elettroliti solidi offrono una maggiore stabilità e una minore tendenza alla formazione di depositi o film sulle superfici degli elettrodi, il che può contribuire a mantenere un SOH più elevato anche dopo un elevato numero di cicli di ricarica. Si prevede che le batterie allo stato solido possano sopportare decine di migliaia di cicli di carica/scarica con un SOH relativamente alto, sebbene la ricerca e lo sviluppo in questo settore siano ancora in corso per ottimizzare ulteriormente le prestazioni.

In sintesi, le batterie allo stato solido tendono a mantenere un SOH più elevato nel tempo e durante un maggior numero di cicli di ricarica rispetto alle batterie al litio tradizionali. Questo li rende una scelta molto interessante per applicazioni che richiedono elevate prestazioni a lungo termine e una maggiore durata della batteria.

Di contro hanno un costo di produzione più elevato che ad oggi è quasi il doppio rispetto ad una tradizionale batteria al litio con elettrolita liquido.

Batteria allo stato solido per auto elettriche
Le batterie allo stato solido hanno più autonomia e si ricaricano più velocemente

A parità di dimensioni, la batteria allo stato solido assicura alle auto elettriche un’autonomia maggiorata con un riduzione del gap rispetto a quella delle auto con motore termico a benzina e diesel, consentendo anche la riduzione dei tempi di ricarica con attese alle colonnine che si accorciano significativamente.

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