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Tecnologie e promesse delle batterie a stato solido

La rapida crescita del mercato dei veicoli elettrici ha spinto lo sviluppo, la produzione e la vendita di batterie, in particolare quelle agli ioni di litio, tecnologia che da un decennio domina il settore delle batterie. Tuttavia, a causa dei limiti delle prestazioni, della tutela dell’ambiente e delle considerazioni sulla catena di approvvigionamento, le tecnologie di accumulo di energia di nuova generazione sono in continua ricerca e sviluppo.

Tra tutte le opzioni, le discussioni sulle batterie allo stato solido hanno portato a sforzi sia nel mondo accademico che nell’industria. Le batterie allo stato solido hanno attirato la maggiore attenzione da parte di istituti di ricerca, fornitori di materiali, venditori di batterie, fornitori di componenti, OEM del settore automobilistico, capitali di rischio e investitori. Anche il numero di operatori che lavorano sulle batterie allo stato solido è in aumento a livello globale.

Veicoli elettrici, ipotesi e speranze delle batterie a stato solido
Mercato destinazione batterie allo stato solido: Immagine: IDTechEx

Cosa possono portare le batterie allo stato solido nella realtà

Le batterie allo stato solido – si legge in un lungo report di IDTechEx – sono considerate il “Santo Graal” in quanto si ritiene che presentino numerosi vantaggi. Questi vantaggi includono una maggiore sicurezza, una densità di energia più elevata, una durata di ciclo più lunga, un intervallo di temperatura di funzionamento più ampio, la possibilità di impilare le batterie, una progettazione semplificata, la possibilità di avere caratteristiche meccaniche flessibili e molto altro ancora.

Ad esempio, le batterie allo stato solido sostituiscono gli elettroliti liquidi organici con controparti allo stato solido, consentendo batterie più sicure e di lunga durata. Inoltre, l’elettrolita allo stato solido può essere compatibile con materiali catodici ad alta tensione e anodi di litio metallico ad alta capacità. È possibile spingere la densità energetica oltre i 1.000 Wh/L.

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Tuttavia, la maggior parte degli elettroliti allo stato solido ha una densità maggiore rispetto al separatore in poliolefina, in particolare l’elettrolita inorganico allo stato solido. Inoltre, sono tipicamente più spessi dei separatori utilizzati nelle batterie agli ioni di litio convenzionali. Se gli elettrodi vengono mantenuti invariati (anodo di grafite e catodo di ossido di metallo stratificato), la maggior parte delle batterie allo stato solido finisce per avere una densità energetica gravimetrica inferiore rispetto alle batterie agli ioni di litio.

Inoltre, molte persone hanno affermato che il sistema di gestione termica può essere rimosso per le batterie allo stato solido perché sono sicure. Tuttavia questo non è vero. Le batterie allo stato solido possono avere un’area di funzionamento sicura diversa rispetto alle batterie agli ioni di litio. I sistemi di gestione termica e molte altre protezioni sono ancora necessari. Un’altra voce sostiene che le batterie allo stato solido non avranno alcuna possibilità in quanto le loro proposte di valore non sono realistiche o troppo difficili da realizzare.

Le opinioni ottimistiche e pessimistiche indicano una mancanza di comprensione delle batterie allo stato solido. Poiché il settore delle batterie allo stato solido è ancora immaturo, a seconda della tecnologia di cui si parla, le proposte di valore, i progetti delle celle, le prestazioni, i requisiti della catena di fornitura, i metodi di produzione e i livelli di preparazione sono diversi. In generale, però, una maggiore sicurezza, una densità di energia potenzialmente più elevata e una progettazione semplificata dei sistemi sono ancora i principali fattori trainanti delle batterie allo stato solido.

Veicoli elettrici, ipotesi e speranze delle batterie a stato solido
Principali player batterie allo stato solido

Tre sistemi di materiali principali

Esistono diversi approcci tecnologici nell’ambito delle batterie allo stato solido. I sistemi a ossido, solfuro e polimero sono diventati le opzioni più popolari nello sviluppo della prossima generazione, con ulteriori variazioni all’interno di ciascuna categoria. In generale, gli elettroliti di solfuro presentano i vantaggi di un’elevata conducibilità ionica, persino migliore di quella dell’elettrolita liquido, bassa temperatura di lavorazione, ampia finestra di stabilità elettrochimica e così via.

Molte caratteristiche li rendono interessanti e sono considerati da molti come l’opzione definitiva. Tuttavia, la difficoltà di produzione e il sottoprodotto tossico idrogeno solforato generato nel processo rendono la commercializzazione relativamente lenta. I sistemi a polimeri sono facili da fabbricare, la maggior parte sono compatibili con gli impianti di produzione esistenti e alcuni sono già stati commercializzati.

La temperatura di esercizio relativamente elevata, il basso potenziale antiossido e la peggiore stabilità sono invece fattori che pongono delle sfide. I sistemi a ossido sono più stabili del litio metallico, con una buona stabilità elettrochimica e termica. Tuttavia, la maggiore resistenza all’interfaccia e i processi di produzione più costosi e a bassa resa mostrano alcune difficoltà in generale.

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Confronto batterie allo stato solido

Altri materiali che dobbiamo capire meglio

Nessuna tecnologia è perfetta e la complicazione dei dettagli tecnici, delle condizioni di prova e dei dati selezionati da pubblicare può confondere il pubblico su pro e contro di ciascuna tecnologia. Il report di IDTechEx offre spiegazioni e analisi dettagliate da un punto di vista tecnico. Vengono valutate anche le aspettative e le speranze delle batterie allo stato solido.

Sebbene le attuali batterie allo stato solido non siano in grado di offrire alcuni vantaggi rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio, la maggiore sicurezza, il potenziale aumento della densità energetica e la semplificazione della progettazione a livello di sistema sono ancora i principali fattori trainanti di questo tipo di batterie.

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