Batterie allo stato solido, arriva il foglio sottile come capelli
I ricercatori hanno creato un film di elettrolita lungo 30 cm, flessibile e autoportante con un processo quasi a secco
Immaginate un foglio grande come un quaderno, ma sottilissimo, quasi come se fosse fatto da pochi capelli messi uno sopra l'altro. Eppure questo foglio è abbastanza resistente da rimanere in piedi da solo. È così che i ricercatori sono riusciti a realizzare un nuovo tipo di elettrolita solido, uno dei materiali fondamentali per le future batterie a stato solido.
L'elettrolita, è bene ricordarlo, è quel materiale che permette alla corrente di muoversi all'interno della batteria: in quelle tradizionali, come sappiamo, è liquido, mentre in quelle a stato solido viene utilizzato un materiale... solido. Questa tecnologia interessa molto anche il settore dell'auto elettrica perché potrebbe permettere di realizzare batterie più sicure, compatte e con più energia.
La novità dello studio, pubblicato a inizio settembre, non riguarda tanto il materiale utilizzato, che è già conosciuto, quanto il modo per produrlo. I ricercatori hanno sviluppato un processo che richiede meno passaggi e utilizza molti meno solventi, cioè sostanze liquide normalmente impiegate durante la produzione.
Il risultato è un foglio di elettrolita lungo 30 centimetri e largo 10, che non ha bisogno di essere sostenuto da un altro materiale. Può quindi essere maneggiato direttamente. Sembra un dettaglio, ma non lo è: riuscire a produrre questi materiali in modo semplice, veloce e su dimensioni più grandi è uno dei passaggi necessari per portare le batterie a stato solido fuori dai laboratori e dentro le fabbriche.
Il film di solfuro e perché serve un processo diverso
L'elettrolita solfidico è oggi tra i materiali solidi con la conducibilità ionica più alta, la proprietà che misura quanto facilmente gli ioni di litio si muovono dentro il materiale, e quindi quanto velocemente la batteria si carica e si scarica. È anche il più difficile da lavorare: reagisce con l'umidità dell'aria e richiede ambienti ultra-secchi.
Le linee pilota esistenti, come raccontato in un precedente approfondimento sulle differenze tra elettroliti solidi e problemi di dendriti, si basano perlopiù su polveri pressate a freddo, non su film continui in forma di foglio. Il passaggio a un film autoportante, che si maneggia come una pellicola invece che come una compressa fragile, è quello che renderebbe più semplice l'assemblaggio delle celle su scala industriale.
Il nuovo studio introduce un additivo organico, l'alfa-pinene (una molecola estratta da resine vegetali, già usata in altri settori chimici), aggiunto durante la miscelazione. Il suo ruolo è rendere il film più flessibile e più compatto, riducendo gli spazi vuoti che normalmente si formano tra le particelle di solfuro durante la pressatura.
Il processo quasi a secco e i risultati sulle celle complete
Il processo si definisce "quasi a secco" perché elimina gran parte dei solventi liquidi tipici del wet-coating, la tecnica di applicazione a umido controllato già usata per produrre film sottili di solfuro in altri esperimenti di laboratorio. Meno solventi significa meno fasi di asciugatura e minore rischio di contaminazione da umidità residua.
Il risultato più concreto riguarda la porosità del film, cioè la percentuale di vuoti microscopici al suo interno: è scesa dal 12,24% al 7,78% grazie all'additivo. Un film più denso conduce meglio gli ioni e resiste meglio alle sollecitazioni meccaniche durante il ciclo di carica e scarica della batteria.
La conducibilità ionica misurata è di 4,79 mS/cm a temperatura ambiente, un valore che si confronta bene con quanto ottenuto in altri approfondimenti sui film elettrolitici polimerici flessibili per batterie allo stato solido. Il film prodotto ha uno spessore di 28 micrometri, più sottile di uno spaghetto secco, e dimensioni laterali di 30x10 centimetri: una superficie che comincia ad avvicinarsi a quella utile per un'applicazione reale.
Le celle complete assemblate con questo film, con catodo al nichel-cobalto-manganese e uno strato protettivo di niobato di litio, hanno mantenuto il 93% della capacità dopo 500 cicli a una velocità di carica standard, sotto una pressione di 2 megapascal. Una cella a sacchetto da 50 milliampere-ora ha invece conservato l'83% della capacità dopo 1000 cicli, un dato che si misura sulla durata nel tempo, non sulla potenza istantanea.
Cosa dimostra lo studio e cosa resta da verificare
Gli autori descrivono il lavoro come un percorso verso una "fabbricazione potenzialmente scalabile" delle batterie allo stato solido, un'espressione che nella pratica industriale significa ancora scala di laboratorio, non linea produttiva. Il salto verso volumi automotive richiede materiali di partenza a purezza costante e ambienti di lavorazione controllati su superfici molto più grandi di un pannello da laboratorio.
Resta aperto il tema della sensibilità all'umidità del solfuro, già segnalato come causa di ritardi nelle roadmap di alcuni costruttori che puntano su questa chimica, come ricordato anche nell'analisi sui problemi di interfaccia tra catodo ed elettrolita solido. Un film più denso e flessibile non elimina da solo la necessità di camere a bassissimo tasso di umidità durante l'assemblaggio delle celle.
Il confronto con altre strade percorse in parallelo, comprese le alternative senza solfuro descritte negli studi sui materiali organici covalenti per elettroliti solidi, resta aperto: nessuna chimica ha ancora chiuso la partita della produzione su larga scala per l'auto elettrica.
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