L’evoluzione dei veicoli elettrici rappresenta un passo cruciale nella ricerca di una mobilità più sostenibile. Le batterie agli ioni di litio, sebbene predominanti nella propulsione di queste auto, presentano limitazioni in termini di sicurezza, capacità di stoccaggio e costi.
In questo contesto, le batterie allo stato solido emergono come una soluzione promettente che potrebbe contribuire in modo significativo al progresso della mobilità sostenibile. In queste batterie l’elettrolita, cioè il mezzo a base di litio che permette il trasporto degli ioni tra gli elettrodi, è solido anziché liquido.
Indice
Vantaggi di un elettrolita solido
Le batterie agli ioni di litio dei nostri cellulari hanno un separatore poroso tra gli elettrodi, immerso in un elettrolita liquido che impedisce il passaggio degli elettroni attraverso la batteria stessa e permette quindi il flusso degli ioni. Questo elettrolito è infiammabile e quando diventa troppo caldo la batteria può deformarsi e persino esplodere.
Questi rischi sono notevolmente ridotti con l’uso di materiali solidi, che hanno maggiore sicurezza e stabilità termica rispetto agli elettroliti liquidi, volatili e infiammabili.
Per cinque anni sono stati sviluppati diversi materiali elettrolitici solidi, tra cui polimeri, composti inorganici e miscele di entrambi, che potrebbero essere funzionali a questa applicazione.
In generale, è stato riscontrato che questi materiali offrono una maggiore tolleranza ai cambiamenti di temperatura, ai danni fisici e alle condizioni di sovraccarico, aprendo la strada a batterie più durevoli e affidabili.
Ma sono tutti vantaggi? La realtà è no. Inserire un elettrolita solido in una batteria e farla funzionare non è un processo semplice e comporta diversi problemi da risolvere.
Uno svantaggio fondamentale, cruciale per i veicoli elettrici, è che hanno una minore conduttività ionica rispetto ai liquidi, il che rallenta il movimento degli ioni e riduce la carica della batteria, aumentando a sua volta il tempo di ricarica.
Batterie al litio metallico
Nonostante tutto ciò, la cosa interessante è che l’elettrolita solido permette di utilizzare il litio metallico al posto della grafite nelle batterie, aumentando così la capacità di accumulo e riducendone il peso.
Sebbene l’uso del litio metallico come elettrodo sia stato inizialmente scartato negli anni ’90 nello sviluppo delle batterie agli ioni di litio a causa di problemi di esplosione, recenti progressi nel campo degli elettroliti solidi hanno riaperto la possibilità di produrre batterie in cui il litio metallico è protetto posizionandolo attaccato ad una pellicola elettrolitica allo stato solido.
La sfida principale nell’utilizzo del litio metallico è evitare la formazione di “aghi” di litio metallico chiamati dendriti, che possono perforare l’elettrolita e causare cortocircuiti.
Per questo motivo, l’elettrolita solido deve avere una resistenza meccanica sufficientemente buona affinché uno strato spesso pochi micrometri resista alla penetrazione dei dendriti per migliaia di cicli di carica e scarica.
Allo stesso tempo deve essere flessibile, poiché nella cella si verificheranno grandi cambiamenti di volume. Letteralmente, in ogni ciclo di scarica tutto il litio viene completamente trasferito da un elettrodo all’altro.
Sfide per il suo sviluppo
Con la combinazione di litio metallico e stato solido sembra che si ottenga la soluzione più funzionale possibile, ma per affrontarne lo sviluppo è necessario affrontare queste sfide e altre legate alla bassa conduttività ionica di questo tipo di materiali.
Altri aspetti cruciali riguardano la stabilità del materiale, poiché è difficile trovare composti che non reagiscano con il litio metallico, a causa della sua tendenza a combinarsi con quasi tutto. Inoltre, il materiale solido deve essere in grado di “bagnare” o aderire bene sia al litio che all’altro materiale dell’elettrodo.
Come se tutto ciò non fosse abbastanza complicato, l’elettrolita solido dovrebbe essere economico. Un’ulteriore aggiunta sarebbe quella di poter utilizzare gli attuali processi di produzione delle batterie senza grandi modifiche.
Per tutti questi motivi, lo sviluppo di questo tipo di batterie non sembra facile . A differenza delle batterie al sodio, che si basano su principi simili alle batterie al litio, le batterie allo stato solido devono affrontare numerose sfide per essere sostenibili. Pertanto, sebbene siano in fase di sviluppo da decenni, non sono ancora pronti per la commercializzazione.
La corsa alla commercializzazione
Nonostante ciò, aziende come Volkswagen (con QuantumScape) e BMW (con Solid Power) stanno investendo ingenti somme di denaro per superare gli ostacoli tecnici. La Cina, con SAIC Motor, spera di produrre batterie allo stato solido nel 2026. Toyota, con più di mille brevetti, ha costantemente ritardato il suo lancio, ormai previsto per il 2030. Nissan aspira ad andare avanti, puntando al 2028. Stellantis e il Gruppo Volkswagen annunciano i loro sviluppi per il 2030.
Nonostante questi sforzi, gli esperti sono scettici riguardo alle prestazioni di queste batterie a breve termine. In realtà le previsioni più ottimistiche collocano il suo arrivo sul mercato nel 2027, ma i più ritengono che l’adozione di massa avverrà dopo il 2030.
In ogni caso, la storia delle batterie è costellata di lunghi percorsi verso la loro implementazione di massa. Negli anni ’70, gli scienziati John Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino svilupparono ciascuno in modo indipendente componenti chiave della base degli ioni di litio. Tuttavia, è stato solo a partire dagli anni 2000 che queste batterie sono diventate globali.
