Cosa frena (e quando arrivano) le batterie allo stato solido

Le batterie allo stato solido sono considerate il Santo Graal dell’auto elettrica da quasi 20 anni. Una svolta e una promessa per eliminare l’ansia da autonomia, ridurre i tempi di ricarica e rendere le vetture accessibili economicamente quanto quelle a benzina, senza ovviamente emissioni allo scarico che inquinano l’aria e danneggiano la salute.

Eppure restano prigioniere dei laboratori. Cosa le frena davvero? E quanto siamo vicini a vederle montate sulle auto elettriche? Facciamo il punto.

Gli esperti rivelano a InsideEVs US che i progressi non sono così lenti come sembrano. Le aziende sono più vicine che mai alla commercializzazione dei rivoluzionari accumulatori, anche se permangono degli ostacoli. Come per le batterie agli ioni di litio, la diffusione sarà lenta e graduale. Le batterie allo stato semisolido dovrebbero arrivare sul mercato prima, fungendo da “tecnologia ponte” fino alla produzione di massa dello stato solido al 100%.

“Stiamo aprendo la strada alle innovazioni per avvicinarle alle applicazioni automobilistiche,” dichiara Siyu Huang, ceo della startup di batterie Factorial, a InsideEVs US. “La sfida principale per le batterie allo stato solido è la scalabilità”, aggiunge, riferendosi alla capacità di produrle in grandi quantità.

Batterie allo stato solido: come funzionano

In una tradizionale batteria agli ioni di litio, l’elettrolita — il materiale che trasporta gli ioni tra i cicli di carica e scarica — è un liquido chimico a base di litio. Le batterie allo stato solido lo sostituiscono con un elettrolita solido, spesso fatto di polimeri, solfuri o di ossidi. L’obiettivo è lo stesso: trasferire elettroni tra catodo e anodo per alimentare il veicolo.

Le batterie allo stato solido di Factorial

Le ricerche dimostrano che questo cambiamento porta vantaggi significativi. Le batterie allo stato solido immagazzinano più energia in uno spazio più ridotto; si ricaricano più velocemente, sono più sicure e offrono una stabilità termica migliore rispetto ai classici accumulatori agli ioni di litio. In teoria, tutto questo dovrebbe eliminare molti problemi delle auto elettriche, come perdite di autonomia a temperature estreme, rischi di incendio e altro ancora.

Le batterie semi-solide, invece, utilizzano un elettrolita simile a un gel invece di uno completamente liquido o solido, offrendo maggiore densità energetica e sicurezza. Sono una soluzione ibrida tra le batterie convenzionali e quelle completamente allo stato solido.

Oggi c’è una forte spinta per portare entrambe le chimiche sul mercato. Factorial, con sede in Massachusetts, è tra le aziende più impegnate nel settore. Ha siglato accordi di sviluppo con Mercedes, Stellantis e Gruppo Hyundai (che, secondo alcune fonti, potrebbe rivelare i propri prototipi allo stato solido già il mese prossimo).

Ma anche i concorrenti corrono per sviluppare la stessa tecnologia. La californiana QuantumScape ha un accordo con PowerCo, sussidiaria per le batterie del Gruppo Volkswagen, mentre BMW e Ford hanno investito milioni di dollari in Solid Power, con sede in Colorado. Toyota e Honda, invece, guidano gli sforzi in Giappone.

Lo scorso anno, Factorial ha presentato la sua batteria Solstice. Utilizza un elettrolita a base di solfuri che, secondo l’azienda, raggiunge una densità energetica rivoluzionaria di 450 wattora a chilogrammo (Wh/kg). La maggior parte delle celle agli ioni di litio ha una densità energetica ben al di sotto dei 300 Wh/kg. Una maggiore densità significa che una batteria può immagazzinare più energia senza diventare più grande o pesante, aumentando così l’autonomia.

La produzione di massa delle batterie allo stato solido rimane comunque una grande sfida. “Parte del problema dei tempi è che non puoi usare gli stessi impianti e processi produttivi”, spiega Liz Najman, direttore di market insights della startup Recurrent. “Bisogna costruire tutto da zero, cosa che richiede soldi e tempo”.

Perché è difficile

La National Science Foundation degli Stati Uniti entra nel dettaglio su requisiti di produzione delle batterie allo stato solido e quanto questi differiscano dalle batterie tradizionali. In breve, la fabbricazione di batterie richiede tre processi principali: produzione degli elettrodi, produzione delle celle e condizionamento delle celle.

Questi processi e le relative catene di approvvigionamento sono ottimizzati per le batterie agli ioni di litio. Ora la sfida è riconfigurarli per le batterie allo stato solido. Questo cambiamento è paragonabile al passaggio dalla stampa a inchiostro a quella laser, o alla sostituzione dei cavi in rame con fibre ottiche. Serve un redesign completo dell’infrastruttura. E siccome la tecnologia è ancora nuova, i ricercatori stanno lavorando per superare questi ostacoli e ottenere prestazioni e affidabilità costanti.

“Tutti questi processi saranno modificati per le batterie allo stato solido e dipendono fortemente dalle proprietà del materiale dell’elettrolita solido”, si legge nello studio, che conclude suggerendo come soluzione a breve termine un approccio ibrido che adotti processi sia dalle batterie convenzionali sia dalle celle a ossido solido.

Factorial sta facendo proprio questo, combinando i propri processi proprietari con alcune tecniche già consolidate per le batterie classiche.

Lo scorso anno, ha inaugurato quella che viene presentata come la più grande linea di produzione di batterie allo stato solido negli Stati Uniti, a Methuen, in Massachusetts. La linea da 200 megawattora sembra piccola rispetto ai giganti impianti in costruzione negli USA da centinaia di gigawattora, ma rimane un traguardo importante.

L’azienda ha già inviato un “B-sample” a Mercedes per i test, dichiarandosi la prima azienda a fornire un campione di batteria completamente allo stato solido a un costruttore d’auto di livello mondiale. Il B-sample è un prototipo quasi pronto per la produzione, utilizzato per test avanzati, convalida delle prestazioni, valutazioni di sicurezza e integrazione nei veicoli elettrici.

Produrre queste celle senza difetti sulla linea di montaggio è una sfida ulteriore. “Riusciamo ad avere un rendimento dell’85% sulla linea pilota”, dice Huang, riferendosi alla percentuale di celle prodotte che soddisfano gli standard di qualità.

“Di solito, in una linea di produzione su larga scala, serve un rendimento superiore al 95%,” continua.

C’è quindi ancora lavoro da fare per migliorare scalabilità e affidabilità.

Le celle Solstice da 40Ah utilizzano anche un processo innovativo chiamato dry cathode coating, che Tesla avrebbe esplorato per le proprie celle di nuova generazione.

Secondo l’Oak Ridge National Laboratory, gli elettrodi nelle batterie tradizionali usano una pasta umida costosa, dannosa per l’ambiente e che occupa molto spazio in fabbrica. Il processo a secco elimina questa pasta tossica miscelando “polveri secche con un legante”, riducendo costi, consumi energetici e impatto ambientale.

Quasi 1.000 km di autonomia?

Il risultato? Factorial afferma che i suoi pacchi ad alta densità energetica offrono un’autonomia di guida di quasi 1.000 km. Più del doppio della media EPA negli USA, che secondo il Department of Energy era di 283 miglia (455 km). Un risultato straordinario, considerando che l’autonomia media è triplicata negli ultimi 10 anni. Factorial dichiara anche temperature operative superiori ai 90 gradi Celsius e una riduzione del peso del 40% rispetto alle batterie tradizionali.

Ma la batteria quasi-solida di Factorial è una soluzione a breve termine, che combina alte prestazioni e facilità di produzione su larga scala. Usa un materiale gelatinoso per l’elettrolita insieme a un anodo in litio metallico e a un catodo ad alta capacità. Così si uniscono i vantaggi degli elettroliti solidi con la facilità di produzione delle batterie agli ioni di litio.

Le batterie semi-solide sono già arrivate sul mercato cinese. Lo scorso anno, un proprietario di Nio ET7 ha raggiunto 892 km con una singola ricarica, grazie al pacco semi-solido da 150 kWh.

Presto arriveranno anche negli Stati Uniti. Stellantis ha promesso di lanciare il prossimo anno una flotta dimostrativa di Dodge Charger Daytona equipaggiate con le batterie quasi-solide di Factorial, con una densità energetica dichiarata di 390 Wh/kg, ben superiore agli standard attuali di circa 250-300 Wh/kg.

Dodge Charger Daytona Elettrica

Foto di: InsideEVs

Portano anche enormi vantaggi in termini di peso. Huang ha aggiunto che le batterie allo stato solido possono far risparmiare fino a 200-300 libbre (90-135 kg) a livello di pacco. “Sul veicolo, le batterie allo stato solido possono far risparmiare fino a 1.000 libbre (oltre 450 kg)”.

“Riducendo il peso del pacco, possiamo ridurre anche le strutture di supporto”.

Il risparmio di peso si traduce direttamente in risparmio sui costi: ogni libbra (0,45 kg) eliminata fa risparmiare 5 dollari (4,3 euro). Eliminando 1.000 libbre, il risparmio diventa significativo.

“Gli Stati Uniti amano SUV e pickup grandi e poco aerodinamici”, aggiunge Najman, di Recurrent.

“Questi richiedono batterie enormi per compensare la fisica sfavorevole e diventano molto pesanti. Lo stato solido offre più potenza in pacchi molto più leggeri, quindi potrebbero trovare applicazione nei SUV e nei pickup”.

Le case automobilistiche, però, stanno puntando a propulsori ad autonomia estesa per i veicoli più grandi, con generatori a benzina di supporto.

In sintesi, conclude Najman, le batterie allo stato solido sono pronte a mantenere le promesse. “L’hype ha reso i produttori particolarmente cauti. Con tutte le promesse fatte, non possono rilasciare un prodotto che fallisca”.

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