Batterie allo stato solido: cosa sono. come funzionano e i loro vantaggi

Stato solido: sono queste le parole che descrivono la svolta cruciale nella evoluzione delle batterie. Se mai accadrà, ovviamente.

La maggior parte delle case automobilistiche ha borbottato qualcosa al riguardo negli ultimi due anni, ma scopriamo insieme cosa sono e perché dovrebbero interessarci. Ecco quindi tutto ciò che devi sapere su questa tecnologia innovativa e su quando sarà disponibile sui nostri veicoli elettrici.

COS'È UNA BATTERIA ALLO STATO SOLIDO?

È una batteria che utilizza un elettrolita solido, anziché liquido o a base di gel. L'elettrolita è quella parte che si trova in mezzo, tra il catodo e l'anodo.

PERCHÉ LE BATTERIE ALLO STATO SOLIDO SONO UNA SVOLTA PER LE AUTO ELETTRICHE?

Le composizioni delle batterie allo stato solido renderanno le batterie più piccole e più dense di energia. Ciò significa che un veicolo elettrico potrà andare più lontano con batterie maggiorate, oppure, a parità di autonomia, essere più leggero e, soprattutto, più economico con meno batterie.

Inoltre, questa tecnologia supporta meglio la ricarica rapida, grazie alla sua capacità di non surriscaldarsi. Ciò cambia anche il potenziale impiego nel motorsport, con emissioni minime di carbonio.

OK, COME FUNZIONANO LE LE BATTERIE ALLO STATO SOLIDO?

Semplifichiamo un attimo le cose: immagina un rettangolo largo 10 cm. I primi due centimetri sono l'anodo (elettrodo positivo), solitamente realizzato in grafite*, e gli ultimi due centimetri sono il catodo (elettrodo negativo), realizzato in litio ferro fo(LFP) o ossido di litio nichel manganese cobalto (NMC)* .

(*altri materiali sono in fase di test, ma su questo arriveremo)

Tra l'anodo e il catodo si trova un elettrolita liquido o in gel. Al centro si trova un separatore, un tipo di membrana salina che catalizza la chimica, incoraggia gli elettroni a muoversi tra i due elettrodi e impedisce agli elettrodi stessi di toccarsi.

NON DOVREBBERO FARLO ASSOLUTAMENTE...

Hai assolutamente ragione. Tutte le batterie ricaricabili soffrono di una condizione chiamata formazione di dendriti. È un po’ come l’accumulo di placca dentale, ma per gli elettrodi. La carica e la scarica ripetute fanno sì che le particelle ioniche formino lunghe strutture appuntite sulla superficie dell'elettrodo. Alla lunga, potrebbero causare un cortocircuito della batteria o, peggio ancora, provocare un incendio. Ecco quindi perché serve il separatore.

GIUSTO. COME CAMBIERÀ QUESTO IN UNA BATTERIA A STATO SOLIDO?

Cambiando l'elettrolita con uno di vetro, ceramica o polimero solido, puoi ottenere alcuni risultati utili.

In primo luogo, puoi evitare che i liquidi si riversino nella batteria. Il vetro, ovviamente, non si muove, e il movimento non è particolarmente stabile e le auto, per loro stessa natura, tendono a muoversi. Non sorprende che i produttori di automobili amino la stabilità. Gli elettroliti solidi sono più stabili (e anche meno infiammabili, per la tranquillità dei più focosi).

In secondo luogo, l’elettrolita solido può svolgere molteplici funzioni anche come separatore catalizzatore. Eliminando il separatore e l'elettrolita liquido, il tuo rettangolo di 10 cm sarà ora largo solo sei centimetri. Un elettrolita di due centimetri racchiuso tra un anodo di due centimetri e un catodo di due centimetri: il paradiso del sandwich allo stato solido.

OK, QUINDI ORA È PIÙ PICCOLO, È PIÙ DENSO DI ENERGIA?

Esatto, la densità energetica della batteria aumenta già con la riduzione delle dimensioni. Ma usare elettroliti allo stato solido significa che un anodo di grafite potrebbe essere sostituito con uno di litio. Un anodo di litio potrebbe migliorare la densità energetica della cella fino al 40%.

E aspetta, non è tutto. Le batterie di oggi necessitano di una accurata gestione termica. Anche in modalità rapida, la ricarica avviene al 50-80% di quanto teoricamente possibile per evitare il surriscaldamento. Pertanto raramente si sfrutta appieno tutta la batteria e la ricarica richiede più tempo.

Le batterie allo stato solido sono in grado di resistere a una maggiore quantità di calore, quindi possono essere caricate più rapidamente e c'è un utilizzo più completo di tutte le celle.

Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che il calore generato dalla ricarica rapida aumenta la “conduttività ionica”. Ciò sembra inibire la crescita dei nostri pungenti nemici dendriti. Alcuni studi mostrano addirittura che a determinate temperature i dendriti “si autoriparano”, il che significa che la struttura diventa meno appuntita e più corta. Notevole, eh?

PERCHÉ NON SONO DISPONIBILI OGGI SUL MERCATO?

Ottima domanda. Anche se in teoria le batterie allo stato solido saranno più durevoli, i ricercatori in camice bianco da laboratorio non sono ancora arrivati ​​a quel punto.

Ciò, unito alle difficoltà e ai costi associati all’espansione delle nuove tecnologie, significa che ci vorrà un po’ di tempo prima che le batterie allo stato solido siano nelle nostre auto. Alcuni modelli di nicchia e premium potrebbero adottarle entro la fine del decennio.

Inoltre, considerando il modo in cui vengono attualmente prodotte le batterie, se gli scienziati vogliono cambiare i materiali dell’anodo e/o del catodo, è piuttosto semplice. Riorganizzare la sostituzione dell’elettrolita, tuttavia, non è così semplice: il cambiamento comporta costi e le case automobilistiche stanno cercando di ridurre i costi, quindi il punto delicato è anche questo.

C'È QUALCOS'ALTRO CHE DOVREI SAPERE?

Le batterie a stato solido non sono affatto una nuova invenzione. Michael Faraday, padrino di molti principi elettrochimici ed elettromagnetici e inventore della celebre gabbia che porta il suo nome, si dilettava con queste cose già tanto tempo fa.

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