Cosa sono le batterie allo stato solido?
Per chi è interessato all'industria delle batterie, il termine "batteria allo stato solido" è certamente familiare. Questa nuova tecnologia è considerata un aggiornamento delle batterie al litio, in grado di migliorare significativamente la durata delle batterie attuali di diverse volte.
Soprattutto nel settore dei veicoli elettrici, le batterie allo stato solido sono considerate la chiave per rivoluzionare il settore. Immaginate un'auto elettrica che può percorrere 1000 km e che impiega solo quindici minuti per ricaricarsi completamente: è allettante?
Questo potenziale ha portato a un'intensa concorrenza tra tutti i produttori di batterie in questo campo. Cosa rende le batterie allo stato solido così magiche? Per una comprensione completa delle batterie allo stato solido, leggete il seguente articolo.
Che cos'è una batteria a stato solido?
Il concetto di batteria allo stato solido fu introdotto per la prima volta dallo scienziato britannico Michael Faraday. Tuttavia, per oltre un secolo, gli elettroliti solidi sembrarono svanire dal palcoscenico della storia, scomparendo dalla vista dell'uomo. All'inizio di questo secolo, l'umanità ha ripreso silenziosamente da dove Faraday aveva lasciato più di 100 anni fa, intraprendendo nuovamente l'esplorazione degli elettroliti solidi.
La differenza più grande tra le batterie allo stato solido e quelle al litio è la SSB assenza di elettroliti liquidi o in gel. Le batterie allo stato solido utilizzano invece composti di vetro di litio o sodio come elettroliti solidi, attraverso i quali migrano gli ioni di litio. Nei solidi, la conducibilità ionica è relativamente alta e il rischio di perdite e produzione di gas è ridotto al minimo, migliorando così la sicurezza e la densità energetica della batteria.
Perché sviluppare batterie allo stato solido?
Nel settore delle batterie, le batterie al litio liquido, siano esse al litio-ferro-fosfato o al litio ternario, si ritiene che abbiano raggiunto i loro "limiti". È diventato sempre più difficile raggiungere nuovi traguardi tecnologici. Ciò significa che per ottenere batterie di maggiore capacità con volumi più ridotti è necessario sviluppare nuove tecnologie.
Allo stesso tempo, le batterie allo stato solido possono risolvere i principali rischi per la sicurezza delle batterie agli ioni di litio. Le batterie tradizionali agli ioni di litio possono auto-accendersi o esplodere a causa degli elettroliti organici infiammabili e volatili che contengono.
Inoltre, problemi come la corrosione dell'elettrolito, la volatilizzazione e le perdite possono rappresentare seri rischi per la sicurezza del sistema di batterie. Elettroliti solidisono invece intrinsecamente non infiammabili, resistenti al calore, non corrosivi e non volatili. Offrono una migliore resistenza meccanica, stabilità termica e stabilità elettrochimica rispetto agli elettroliti tradizionali. migliorare significativamente la sicurezza della batteria.
Tre percorsi principali per le batterie a stato solido
Le batterie allo stato solido seguono principalmente tre percorsi tecnologici: polimero, ossido e solfuro. I materiali catodici e i percorsi delle batterie allo stato solido non differiscono in modo significativo da quelli delle batterie al litio liquido. I diversi percorsi tecnologici si distinguono principalmente per i tipi di elettroliti utilizzati. In base agli elettroliti, i percorsi delle batterie allo stato solido possono essere suddivisi in tre categorie: polimero, ossido (a film o non a film) e solfuro, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi.
A. Polimero
Vantaggi:
-
- Facile da lavorare, le attrezzature e i processi di produzione di elettroliti liquidi esistenti possono soddisfare le esigenze di produzione e ricerca.
Svantaggi:
-
- Bassa conduttività, richiede un riscaldamento a 60 gradi Celsius per funzionare correttamente.
- Scarsa stabilità, incompatibilità con i materiali dei catodi ad alta tensione e tendenza a prendere fuoco ad alte temperature.
- Finestra elettrochimica ristretta, con l'elettrolita che si decompone facilmente ad alte differenze di tensione (>4V).
B. Solfuro
Vantaggi:
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- La conducibilità più elevata e l'ampia finestra di stabilità elettrochimica (sopra i 5 V) lo rendono il più promettente per lo sviluppo.
Svantaggi:
-
- Scarsa stabilità termica, con inizio della reazione termica a una temperatura di 400-500°C.
- Processo di preparazione complesso e soggetto a reagire con l'acqua e l'ossigeno dell'aria per produrre idrogeno solforato altamente tossico.
C. Ossido
Vantaggi:
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- Buona conduttività e stabilità, maggiore conduttività ionica rispetto al polimero, stabilità termica fino a 1000 gradi Celsius ed eccellente stabilità meccanica ed elettrochimica.
Svantaggi:
-
- Conducibilità inferiore rispetto ai solfuri.
- Problemi di contatto con l'interfaccia rigida.
Attualmente, le direzioni di ricerca dei vari produttori di batterie sono diverse. La Cina e gli Stati Uniti si concentrano principalmente sul percorso dell'ossido, esplorando al contempo nuove strade. Le aziende giapponesi, come Honda, tendono a privilegiare il percorso del solfuro. Grazie ai costi e alle difficoltà di ricerca relativamente inferiori, diverse batterie allo stato semisolido hanno visto applicazioni commerciali nel sistema all'ossido entro il 2024. Tuttavia, in una prospettiva a lungo termine, nonostante l'elevata difficoltà di ricerca, l'elettrolita solido al solfuro, con le sue eccellenti prestazioni e il suo significativo potenziale, continua ad attrarre notevoli investimenti e sforzi di ricerca da parte di aziende di batterie ben capitalizzate.
Tre percorsi principali per le batterie a stato solido
Vantaggi delle batterie allo stato solido
Alta densità energetica:
Con l'uso di elettroliti completamente solidi, il sistema di materiali applicabile alle batterie agli ioni di litio cambia in modo significativo. Un cambiamento fondamentale è l'eliminazione della necessità di anodi di grafite intercalati con litio. Le batterie allo stato solido possono utilizzare il litio metallico come materiale anodico. La capacità specifica teorica del litio metallico è di 3860 mAh/g, rispetto ai soli 372 mAh/g dell'anodo di grafite nelle batterie agli ioni di litio tradizionali. Ciò consente alle batterie di superare le limitazioni chimiche e di raggiungere livelli di prestazioni più elevati.
Volume ridotto:
Le batterie agli ioni di litio tradizionali richiedono separatori ed elettroliti, che insieme occupano quasi 40% del volume della batteria e 25% della sua massa. Sostituendoli con elettroliti solidi (principalmente materiali ceramici organici e inorganici), la distanza tra gli elettrodi positivi e negativi (tradizionalmente riempiti da separatori ed elettroliti, ora riempiti da elettroliti solidi) può essere ridotta a pochi o decine di micron. Ciò significa che le batterie possono essere rese più piccole, rendendo la tecnologia delle batterie allo stato solido un passo fondamentale verso la miniaturizzazione delle batterie.
Alta plasticità:
L'uso della ceramica come elettrolita solido ha il vantaggio di mostrare una sorprendente plasticità quando è sottile, nonostante la ceramica sia fragile al contatto quotidiano. Anche dopo centinaia di pieghe, la capacità, l'efficienza di carica e scarica e la durata della batteria rimangono sostanzialmente invariate. Ciò significa che le batterie allo stato solido possono essere realizzate in qualsiasi forma, offrendo una maggiore flessibilità di progettazione per i dispositivi elettronici, portando potenzialmente a forme e strutture innovative e stimolando l'innovazione tecnologica dei prodotti.
Sicurezza migliorata:
Nelle batterie tradizionali agli ioni di litio, l'uso del litio metallico come materiale anodico può portare alla formazione di dendriti durante la carica e la scarica. Le dendriti sono strutture simili ad aghi o ad alberi formate dalla deposizione non uniforme del litio metallico nell'elettrolita. Queste dendriti possono crescere e potenzialmente penetrare nel separatore, causando un contatto diretto tra gli elettrodi positivi e negativi, con conseguenti cortocircuiti ed eventuali incendi o esplosioni.
Inoltre, gli elettroliti liquidi organici delle batterie tradizionali sono soggetti a reazioni collaterali, ossidazione, produzione di gas e combustione ad alte temperature. I materiali solidi possono evitare completamente questi problemi.
Migliori prestazioni ad alta e bassa temperatura:
L'intervallo di temperatura di esercizio delle batterie allo stato solido attualmente in commercio va da -20°C a 105°C. Gli elettroliti delle batterie agli ioni di litio utilizzano solventi organici infiammabili, che comportano rischi in ambienti ad alta temperatura. Gli elettroliti delle batterie allo stato solido non utilizzano materiali infiammabili, rendendoli adatti all'uso a temperature più elevate.
A basse temperature, la mobilità degli ioni negli elettroliti liquidi può diventare lenta, riducendo le prestazioni e la tensione della batteria. Gli elettroliti solidi non congelano come i liquidi, quindi le variazioni di resistenza interna sono minime, mantenendo migliori prestazioni a basse temperature.
Confronto tra batterie agli ioni di litio e batterie allo stato solido
| Caratteristica | Batteria agli ioni di litio | Batteria a stato solido |
|---|---|---|
| Densità di energia | 150-250 Wh/kg | 250-500 Wh/kg |
| Tipo di elettrolita | Elettrolita liquido o in gel | Elettrolita solido |
| Sicurezza | Rischio di perdite, incendio ed esplosione | Rischio minore, più stabile |
| Temperatura di esercizio | Da -20°C a 60°C | Da -30°C a 100°C |
| Ciclo di vita | 500-1000 cicli | 1000-3000 cicli |
| Costo | Relativamente basso | Attualmente alto |
| Complessità della produzione | Processi consolidati | Complesso, meno consolidato |
| Disponibilità commerciale | Ampiamente disponibile | Limitato, in fase di sviluppo |
Tre percorsi principali per le batterie a stato solido
QuantumScape
Profilo dell'azienda: QuantumScape è stata fondata nel 2010 ed è guidata dal Presidente e CEO Dr. Jagdeep Singh. La società ha sede a San Jose, in California, e opera sia negli Stati Uniti che in Giappone.
Tecnologia: QuantumScape si concentra sulla tecnologia degli ossidi. La loro batteria a stato solido è unica nel suo genere in quanto non prevede un materiale anodico preimpostato. Durante la carica, il litio metallico puro si trasforma in ioni di litio che migrano verso l'altro lato della batteria per formare l'anodo, una tecnica che chiamano "anodeless". Ciò è reso possibile dal materiale ceramico brevettato utilizzato per il separatore della batteria, che consente agli ioni di litio di muoversi liberamente, impedendo al litio metallico di reagire con il materiale del catodo e di formare dendriti.
Vantaggi: QuantumScape ha creato oltre 200 brevetti e applicazioni. Il loro separatore ceramico a stato solido brevettato, combinato con elettroliti liquidi organici (catoliti), consente di personalizzare i materiali dei catoliti in base ai requisiti di tensione e trasmissione del catodo.
Ultimi progressi: Il 27 marzo 2024, QuantumScape ha iniziato a consegnare i prototipi Alpha-2 ai clienti.
Potenza solida
Profilo dell'azienda: John Van Scoter ricopre il ruolo di CEO e Presidente dal giugno 2023. Solid Power ha partnership con BMW e Ford e ha sede a Louisville, Colorado.
Tecnologia: Solid Power si concentra sulla tecnologia al solfuro, alimentata da un elettrolita solido proprietario a base di solfuro. Il materiale del catodo è l'NMC e l'azienda dispone di due tecnologie di batterie che utilizzano materiali anodici diversi: uno ad alto contenuto di silicio e l'altro di litio metallico.
Vantaggi: Il componente chiave di Solid Power è l'elettrolita solido a base di solfuro, che offre una combinazione ottimale di conduttività, producibilità e prestazioni da batteria.
Ultimi progressi: Il 16 gennaio 2024, Solid Power ha firmato un nuovo accordo con SK per approfondire la loro collaborazione.
Dyson (Sakti3)
Storia dell'azienda (Dyson): Dyson è un'azienda tecnologica britannica specializzata in prodotti per la casa, con un team di invenzione di 1200 scienziati e ingegneri. Dyson ha avviato il suo programma di batterie interne più di dieci anni fa.
Profilo dell'azienda (Sakti3): Nel 2015, Sakti3 è stata acquisita da Dyson Ltd. Sakti3 è stata co-fondata nel 2007 dalla dottoressa Ann Marie Sastry, dal dottor Chia-Wei Wang e dal dottor Fabio Albano come spin-out dell'Università del Michigan.
Tecnologia: Sakti3 utilizza la tecnologia di deposizione a film sottile, tipicamente impiegata nelle celle solari fotovoltaiche. Le loro batterie allo stato solido non hanno elettroliti liquidi, ma utilizzano una struttura "a sandwich" per garantire la normale trasmissione degli ioni.
Vantaggi: Dyson ha rivelato che le batterie allo stato solido Sakti3 possono raggiungere un'altissima densità energetica di 550 Wh/kg, quasi raddoppiando la densità energetica massima di 300 Wh/kg delle batterie ternarie al litio.
Ultimi progressi: Il 16 giugno 2023, Dyson ha annunciato l'intenzione di aprire un impianto di produzione avanzato per batterie di nuova generazione a Singapore.
Toyota
Profilo dell'azienda: Toyota lavora allo sviluppo di batterie allo stato solido dal 2006, concentrandosi sulla tecnologia al solfuro. L'azienda detiene oltre 1300 brevetti di batterie allo stato solido e ha sede a Tokyo, in Giappone.
Tecnologia: Le informazioni divulgate da Toyota indicano un'attenzione particolare alla tecnologia dei solfuri.
Vantaggi: Toyota detiene 1331 brevetti relativi alle batterie allo stato solido, che coprono la struttura delle batterie, le applicazioni dei materiali e i processi di produzione, diventando così l'azienda con il maggior numero di brevetti correlati a livello mondiale. L'azienda prevede di avviare la produzione commerciale tra il 2026 e il 2027.
Ultimi progressi: Il 13 giugno 2024, Toyota ha annunciato una scoperta tecnologica che risolve l'annosa questione della durata delle batterie.
Ampcera
Profilo dell'azienda: Ampcera ha sede nella Silicon Valley, in California, ed è stata fondata nel 2017. L'amministratore delegato è il Dr. Sumin Zhu.
Tecnologia: La tecnologia ASSB di Ampcera comprende materiali elettrolitici solidi al solfuro con protezione IP, progettati per una ricarica ultraveloce. Utilizzano catodi NMC ad alta capacità e anodi a base di silicio per raggiungere una densità energetica di 400 Wh/kg.
Vantaggi: La tecnologia delle batterie interamente allo stato solido (ASSB) di Ampcera ha raggiunto una ricarica rapida da 0 a 80% stato di carica (SOC) in 15 minuti con una velocità di picco C di 4C.
Ultimi progressi: Il 25 febbraio 2024, la tecnologia delle batterie interamente allo stato solido di Ampcera ha superato l'obiettivo di ricarica rapida estrema di 80% in 15 minuti, fissato dal DOE degli Stati Uniti.
Samsung SDI
Profilo dell'azienda: Samsung SDI ha sede a Yongin, Gyeonggi-do, Corea del Sud, e l'amministratore delegato è Yoon Ho Choi.
Tecnologia: L'azienda si concentra sugli elettroliti di solfuro, utilizzando un anodo composito Ag-C senza eccesso di litio. Lo strato di Ag-C regola efficacemente la deposizione di litio, ottenendo una lunga durata del ciclo elettrochimico.
Vantaggi: La tecnologia delle batterie a stato solido Super-Gap di Samsung SDI ha una densità energetica di 900 Wh/L, circa 40% in più rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. L'azienda sostiene di poter caricare una cella prismatica da 8% a 80% in 9 minuti. La produzione di massa è prevista per il 2026.
Ultimi progressi: Nel marzo 2024, Samsung SDI ha annunciato l'intenzione di avviare la produzione di massa di batterie allo stato solido per veicoli elettrici e altre applicazioni entro il 2027.
Produttori cinesi
I produttori cinesi di batterie sono più discreti, ma è noto che BYD e CATL stanno sviluppando batterie allo stato solido. A livello mondiale, le domande di brevetto per tecnologie chiave relative alle batterie allo stato solido sono 20.798, di cui 7640 in Cina, pari a 36,7%. Negli ultimi cinque anni, il tasso di crescita annuale delle domande di brevetto per batterie allo stato solido in Cina è stato di 20,8%, il più alto al mondo.
Opinioni sulle batterie allo stato solido da parte di altri leader del settore
Le sfide delle batterie a stato solido
Costo elevato
Per la via del solfuro, il costo degli elettroliti solidi di solfuro supera attualmente $195 al chilogrammo, molto più alto dell'$50 per chilogrammo necessario per la commercializzazione. Questo problema deriva dall'elevato costo del solfuro di litio (non meno di $650 al chilogrammo) necessario per sintetizzare gli elettroliti solidi. Inoltre, i materiali ad alte prestazioni (come le ceramiche ad alta purezza) e i complessi processi di produzione utilizzati nelle batterie allo stato solido rendono i loro costi significativamente più elevati rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio.
Difficoltà di produzione
Se si utilizza la via dell'elettrolita solido al solfuro, la produzione è difficile a causa della tendenza dell'elettrolita a reagire con l'umidità e l'ossigeno. Ciò richiede un ambiente di produzione altamente controllato, idealmente in una camera sigillata e riempita di gas inerte.
Bassa conducibilità ionica
Nelle batterie allo stato solido, l'interfaccia di contatto tra l'elettrodo e l'elettrolita passa dal contatto solido-liquido a quello solido-solido. Rispetto agli elettroliti liquidi, l'area di contatto tra i solidi è più piccola, con conseguente maggiore resistenza interfacciale. Inoltre, gli elettroliti solidi contengono molti bordi dei grani, che spesso presentano una resistenza più elevata rispetto al materiale in massa, ostacolando il trasporto degli ioni di litio tra gli elettrodi e incidendo negativamente sulle prestazioni di ricarica rapida e sulla durata del ciclo.
Scarsa durata del ciclo
Il contatto solido-solido nelle batterie allo stato solido è più rigido e quindi più sensibile alle variazioni di volume dei materiali elettrodici. Durante i cicli, questo può portare a un cattivo contatto tra le particelle dell'elettrodo e tra le particelle dell'elettrodo e l'elettrolita.causando l'accumulo di tensioni, il degrado delle prestazioni elettrochimiche e persino la formazione di crepe, che possono ridurre rapidamente la capacità e portare a una scarsa durata dei cicli.
Quando saranno disponibili le batterie allo stato solido?
A partire dal luglio 2024, non esistono batterie allo stato solido realmente disponibili in commercio. Le case automobilistiche cinesi che dichiarano di utilizzare batterie allo stato solido, in realtà utilizzano batterie allo stato semi-solido con un contenuto ridotto di liquido. Come nel caso delle batterie al litio, che hanno richiesto decenni per passare dalla nascita tecnologica all'uso diffuso, molti esperti ritengono che le batterie allo stato solido richiedano periodi ancora più lunghi per la convalida e i progressi tecnologici.
Tuttavia, l'attesa potrebbe non essere indefinita. Il notevole potenziale delle batterie allo stato solido ha stimolato un'intensa concorrenza, accelerando i progressi nel settore. Molti produttori hanno indicato il 2027 come anno di commercializzazione delle batterie allo stato solido. Teniamo d'occhio gli sviluppi mentre il settore si muove verso questo ambizioso obiettivo.
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