Batterie allo stato solido: ecco quanto manca alla rivoluzione

L’istituto di ricerca Fraunhofer, con sede a Karlushe, in Germania, ha pubblicato uno studio sulle batterie allo stato solido. Nello specifico, i ricercatori tedeschi si sono chiesti a che punto sia la tecnologia e soprattutto che futuro avrà rispetto allo standard odierno, rappresentato dalle note batterie agli ioni di litio.

Dallo studio è emerso che al giorno d'oggi, dopo anni di forte sviluppo, le batterie agli ioni di litio sono ormai prossime ad esprimere il loro massimo potenziale. Ci sono ancora margini di miglioramento, ma i progressi più significativi sembrano compiuti. La vera rivoluzione arriverà quindi con l'arrivo delle tanto attese batterie allo stato solido. Succederà in massa entro 10 anni. Ma cosa dobbiamo aspettarci?

Poche novità sotto il profilo dei materiali

Iniziamo con il parlare delle formule chimiche. Sulle attuali batterie agli ioni di litio e sulle batterie allo stato solido alcune cose non cambieranno. A livello di materiali, ad esempio, il litio metallico e il silicio resteranno i più promettenti per la produzione di anodi. Garantiscono la densità energetica più alta, ma si devono ancora mettere a punto metodi per produrli su larga scala. In realtà, al giorno d’oggi, gli anodi in silicio hanno una densità energetica leggermente più bassa di quelli in litio metallico, ma i margini di miglioramento sono grossi e in futuro si raggiungerà un sostanziale punto di pareggio.

Per quanto riguarda il resto delle celle, le aziende produttrici di batterie stanno testando le più diverse formule chimiche. Ad oggi, però, gli accumulatori NMC/NCA (nichel, manganese, cobalto o nichel, cobalto e alluminio) sono quelli che hanno le migliori prestazioni, anche se ci sono altre formule chimiche – su tutte quella LFP (litio ferro fosfato) – che hanno costi minori e stanno migliorando sotto il profilo delle caratteristiche tecniche.

Tre elettroliti per il futuro

La differenza fondamentale, da cui deriva anche il nome stesso delle batterie allo stato solido SSB (Solid State Battery), è rappresentata dall’elettrolita. In questo specifico aspetto tre sono i gruppi dei materiali che potrebbero imporsi come quelli giusti su cui investire.

• Elettroliti solidi ossidi: presentano un’elevata capacità di sopportare meccanicamente le sollecitazioni e hanno grande stabilità chimica, ma richiedono un trattamento ad alta temperatura (sinterizzazione) che li rende abbastanza fragili e dotati di scarsa conduttività ionica.
• Elettroliti solidi solfuri: sono più morbidi e più facili da lavorare e si deformano più facilmente, adattandosi a vari usi, ma sono prodotti solo per progetti di ricerca e si deve ancora sviluppare un metodo costruttivo su larga scala.
• Elettroliti solidi polimerici: sono i più facili e i meno costosi da produrre ma hanno alcuni limiti dettati dalla scarsità di conduttività ionica a temperatura ambiente e devono quindi essere messe a punto per ottenere prestazioni migliori.

Come si espande il mercato

Secondo lo studio dell’istituto tedesco, la produzione di batterie allo stato solido prenderà piede intorno al 2025. O meglio, tra tre anni gli elettroliti solidi ossidi e solfuri inizieranno ad aumentare considerevolmente di volume dal punto di vista della disponibilità sul mercato e troveranno le prime applicazioni commerciali. Tre anni più tardi, nel 2028, accadrà lo stesso per gli elettroliti polimerici.

In questi anni, il settore delle batterie allo stato solido non si svilupperà solo grazie alla definizione di metodi produttivi più sostenibili dal punto di vista economico, ma anche perché l’industria ottimizzerà tutte le componenti delle batterie per realizzare prodotti ad alte prestazioni. Cambieranno quindi gli anodi e i catodi e i vari materiali attivi presenti all’interno delle celle.

Tutti i vantaggi dello stato solido

Le batterie allo stato solido sostituiranno gradualmente quelle agli ioni di litio per tutta una serie di motivi. Secondo i ricercatori del Fraunhofer i punti di forza sono:

• Densità energetica (si potrebbe passare presto dagli attuali 350 Wh/l a 1.150 Wh/l)
• Sicurezza (minor rischio incendi dovuti a surriscaldamento)
• Durata (minor degrado della struttura interna)
• Velocità di ricarica (maggiori potenze in gioco grazie alla migliore gestione delle temperature)

Tutti gli usi dello stato solido

Lo sviluppo e la diffusione delle batterie allo stato solido saranno trainati dal mondo dell’auto elettrica. Sarà il settore automotive a imporre l’uso su larga scala di questo tipo di accumulatori. Ma una volta che l’industria che li produce sarà strutturata, allora i campi di applicazione saranno numerosi.

Batterie allo stato solido saranno usate nei dispostivi di elettronica di consumo ma anche negli utensili elettrici per lavorazioni professionali. Visti i costi di produzione inizialmente più alti, le batterie allo stato solido si diffonderanno a partire dal top di gamma.

Una produzione in aumento

Nel 2030, secondo lo studio, la produzione di batterie allo stato solido arriverà a valori compresi tra i 15 e i 40 GWh, mentre nel 2035 si potrebbero raggiungere i 120 GWh all’anno. Nello stesso periodo, la produzione di normali batterie agli ioni di litio toccherà vette mai raggiunte prima: fino a 6 TWh nel 2030 e fino a 8 TWh nel 2035.

A farla da padrone, a livello geografico, saranno ancora le potenze asiatiche (Cina, Corea del Sud e Giappone), ma se la giocheranno quasi alla pari con Usa e Ue.

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