Batteria a stato solido: il futuro dei veicoli elettrici
Attualmente, l’ansia da autonomia rimane il più grande ostacolo alla completa sostituzione globale delle auto a benzina con veicoli a nuova energia. Sebbene molte case automobilistiche, come Tesla con il Supercharger V4 e Xpeng con il Supercharger S4, abbiano introdotto tecnologie di ricarica rapida, queste stazioni di ricarica non solo sono costose ma mancano anche di una copertura capillare. Per risolvere veramente i problemi di autonomia, solo le batterie ad alta densità di energia possono offrire una soluzione.
Alla luce dei recenti sviluppi, negli ultimi anni Cina, Giappone, Corea del Sud ed Europa si sono concentrati sullo sviluppo di tecnologie a stato solido.batterie con densità energetica più elevata. In base alla scelta dell’elettrolita, queste regioni hanno adottato tre percorsi tecnologici distinti:
- Europa: focalizzato principalmente sui polimeri (con una conduttività di circa 10-7-10-5S/cm) come elettrolita per batterie a stato solido. Tuttavia, a causa della bassa conduttività dei polimeri, le batterie allo stato solido prodotte in serie in Europa offrono una portata inferiore rispetto alle batterie al litio liquido della stessa capacità.
- Giappone e Corea del Sud: la loro enfasi principale è sui solfuri (con una conduttività di circa 10-3-10-2S/cm) come elettrolita. Anche se questo materiale vanta una conduttività ideale, il suo complesso processo di produzione e l’inclusione di metalli rari ne hanno ostacolato la commercializzazione.
- Cina: si trasforma prevalentemente in ossidi (con una conduttività di circa 10-6-10-3S/cm) come elettrolita. Data la rigidità e l’elevata porosità del materiale, che può impedire il flusso regolare degli ioni, l’attuale tecnologia richiede l’inclusione di un elettrolita, producendo una batteria allo stato semisolido. Ciò, tuttavia, riduce la densità energetica della batteria. Di conseguenza, anche se queste batterie allo stato semi-solido realizzate con ossidi sono state incorporate in modelli di fascia alta da aziende come NIO e Dongfeng, il loro rapporto costo-efficacia non è stato abbastanza sorprendente da giustificare una produzione su larga scala.
Uscendo da questi percorsi tecnologici tradizionali, i ricercatori dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina hanno recentemente sviluppato l’ossicloruro di litio e zirconio. In termini di conduttività ionica, deformabilità e costo, questo materiale supera sia gli ossidi che i solfuri. L’avvento dell’ossicloruro di litio e zirconio potrebbe fornire all’industria una soluzione innovativa e pronta all’uso.
Pionieri europei: l'avventura del Gruppo Bolloré nella tecnologia delle batterie allo stato solido
Le aziende europee di energia pulita utilizzano principalmente i polimeri come elettrolita nel loro intento di portare avanti la ricerca sulle batterie allo stato solido. Un attore notevole in questo spazio è il gruppo francese Bolloré. Nel 2011, il Gruppo Bolloré, come primo operatore al mondo a utilizzare batterie allo stato solido in un progetto di veicolo elettrico, ha presentato il proprio veicolo elettrico sviluppato internamente, Bluecar. Questo veicolo era equipaggiato con una batteria allo stato solido ai polimeri di litio metallico da 30 kWh prodotta dalla sua controllata Batscap, che vanta un'autonomia di 120 km.
Tuttavia, vale la pena sottolineare che la batteria allo stato solido polimeri di litio-metallo del Gruppo Bolloré, con una capacità di 30 kWh, ha raggiunto solo 120 km di autonomia. Al contrario, la Model 3 di Tesla, dotata di una batteria a liquido da 60 kWh, può raggiungere un'autonomia di oltre 400 km. Facendo i conti, un modello Tesla dotato di batteria a liquido da 30 kWh può superare un’autonomia di 200 km, surclassando nettamente la Bolloré Bluecar.
La ragione principale dell'autonomia notevolmente ridotta di Bluecar rispetto a Tesla, anche quando equipaggiata con batterie della stessa capacità, è la bassa conduttività delle batterie allo stato solido che utilizzano polimeri come elettrolita. Questa limitazione sottolinea anche il motivo per cui, nonostante sia stata la prima in Europa a produrre in serie batterie allo stato solido, l’adozione diffusa rimane sfuggente. Di fronte a questo collo di bottiglia, altre importanti aziende europee di energia pulita hanno cercato strategie alternative: collaborare con le principali aziende globali di batterie allo stato solido per mantenere un vantaggio competitivo nel futuro settore delle batterie per autoveicoli.
La Volkswagen, ad esempio, ha investito massicciamente nella società di batterie a stato solido QuantumScape, quotata in borsa negli Stati Uniti. Alla fine del 2014 la Volkswagen deteneva già il 5% delle azioni QS. Nel 2018 e nel 2020, il Gruppo Volkswagen ha effettuato due investimenti separati in QS, versando ogni volta 300 milioni di dollari, diventando il maggiore azionista dell’azienda.
Parallelamente a ciò, entrambe le società hanno anche costituito una joint venture, con l'obiettivo di costruire una linea di produzione di batterie allo stato solido entro il 2025. Con un significativo sostegno finanziario, la tecnologia di QuantumScape ha continuato a progredire. Ad esempio, le precedenti batterie QS a strato singolo, a temperatura e pressione ambiente, potevano mantenere il 90% del loro accumulo di energia iniziale dopo 1.000 cicli di ricarica a una velocità di 1°C. Ora, alle stesse condizioni, le loro batterie multistrato possono ancora conservare il 90% della loro energia dopo 800 cicli.
Tuttavia, ad oggi, QS non ha lanciato batterie prodotte in serie, mentre le batterie a stato solido dei concorrenti stanno gradualmente entrando nella produzione di massa, aumentando la pressione su QS. Allo stato attuale, anche se l’Europa è stata la prima a commercializzare batterie allo stato solido, la bassa conduttività dei polimeri e le incertezze sulla redditività commerciale delle società in cui hanno investito hanno rallentato il loro progresso nel settore delle batterie allo stato solido.
I giganti giapponesi sono leader nei brevetti per batterie allo stato solido a base di solfuro
I solfuri, una volta pubblicizzati come gli elettroliti più promettenti nelle batterie a stato solido, possiedono numerosi vantaggi come elevata conduttività e malleabilità. Tuttavia, l’approccio tecnologico che prevede l’utilizzo dei solfuri come elettroliti comporta un processo di produzione più complesso. Ad esempio, durante il processo di fabbricazione, i solfuri possono reagire con l’acqua e l’ossigeno nell’aria, producendo gas di idrogeno solforato altamente tossico. Per affrontare questo problema è necessario affinare il processo di produzione, che di conseguenza aumenta i costi.
Per fare un salto di qualità nella corsa all’energia, le aziende giapponesi e coreane di energia pulita hanno mostrato una netta preferenza per l’utilizzo dei solfuri come elettrolita nelle loro batterie a stato solido. Questa complessità delle procedure tecnologiche ha costretto queste aziende a intensificare la ricerca nel campo delle batterie a stato solido, portandole ad accumulare un significativo portafoglio di brevetti tecnici.
Secondo i dati divulgati da Nikkei Chinese Web in collaborazione con la società di ricerca sui brevetti Patent Result, dal 2000 alla fine di marzo 2022, le principali società di batterie elettriche in termini di brevetti di batterie allo stato solido divulgati pubblicamente sono state Toyota, con 1.331 brevetti; seguita da Panasonic Holdings con 445 brevetti; e Showa Shell Sekiyu al terzo posto con 272 brevetti. Tutte e tre le società giapponesi concentrano la propria ricerca e sviluppo sulle batterie allo stato solido a base di solfuro, di cui Toyota è la più avanzata. Già il 22 giugno 2017 Toyota aveva richiesto un brevetto statunitense per una batteria allo stato solido che utilizza solfuri come elettrolita.
Recentemente, Toyota ha rivelato ai media di aver sviluppato una batteria allo stato solido capace di un'autonomia di 1.200 chilometri, caricandosi in soli 10 minuti, con l'intenzione di introdurre sul mercato veicoli dotati di queste batterie entro il 2025. Nonostante l'ambizione di Toyota di raggiungere una massa -produrre veicoli dotati di batterie allo stato solido utilizzando solfuri come elettrolita, le complessità tecniche unite ai costi elevati dovuti all'uso di numerosi metalli rari potrebbero ostacolarne l'adozione su larga scala.
Attualmente, il prezzo medio globale dell’elettrolito nelle batterie agli ioni di litio non supera i 10 dollari al kg. Al contrario, il materiale primario per l’elettrolita solido solforato, Li2S, varia da 1.500 a 2.000 dollari/kg. Ciò significa che il prezzo dell’elettrolita solforato è oltre 150 volte superiore a quello utilizzato nelle batterie agli ioni di litio.
Sviluppo delle batterie cinesi a stato solido: gli elettroliti di ossido aprono la strada
Le imprese nazionali, rispecchiando le tendenze europee, utilizzano principalmente gli ossidi come elettrolita per promuovere la ricerca e lo sviluppo di batterie a stato solido. Secondo dati incompleti, dopo il 2022, diverse case automobilistiche cinesi hanno iniziato a incorporare batterie semi-solide nei loro modelli. Nello specifico, modelli come ES6 di NIO, E70 di Dongfeng e Zhui Feng di Lantu sono dotati prevalentemente di batterie con elettroliti a base di ossido.
Tuttavia, le batterie allo stato solido che utilizzano ossidi come elettroliti presentano una durezza intrinseca. Dato che le particelle di ossido esistono sotto forma di punto di contatto, le batterie allo stato solido risultanti non solo possiedono scarsa malleabilità ma mostrano anche un’elevata porosità. Questa struttura rigida può causare fratture degli elettroliti, interrompendo la trasmissione degli ioni. L'elevata porosità può ostacolare i percorsi di trasferimento degli ioni all'interno del sistema batteria. Di conseguenza, per garantire che le particelle di materiale attivo mantengano un contatto e una trasmissione di ioni ottimali anche in caso di crepe o rotture, le batterie allo stato solido con elettroliti di ossido sono naturalmente adatte per un formato ibrido solido-liquido. Questo design ibrido integra sia lo strato elettrolitico di ossido solido che un elettrolita liquido che riempie i pori, evitando di fatto i problemi sopra menzionati.
Tuttavia, le batterie allo stato solido che incorporano liquidi, a causa del loro ridotto contenuto di elettroliti solidi, non godono dello stesso aumento di densità energetica delle batterie completamente solide. Ad esempio, la batteria semi-solida dell'ES6 ha una densità di energia di 360 Wh/kg. Di conseguenza, anche se le batterie cinesi allo stato semi-solido hanno raggiunto la commercializzazione, il loro modesto aumento della densità energetica, la minore conduttività rispetto al litio liquido e il costo elevato degli elettroliti di ossido potrebbero relegarle a prodotti di transizione nell’evoluzione delle batterie.
Spostando la nostra attenzione, la recente scoperta dell’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina presenta un nuovo elettrolita allo stato solido: l’ossicloruro di litio e zirconio. Questo elettrolita innovativo mostra prestazioni paragonabili ai più avanzati elettroliti a stato solido a base di solfuro e ossido, ma a solo il 4% del costo di questi ultimi. Si tratta innegabilmente di uno sviluppo rivoluzionario nel settore cinese delle batterie allo stato solido.
Questa introduzione dell'ossicloruro di litio e zirconio rappresenta una svolta simultanea negli aspetti prestazionali e di costo degli elettroliti a stato solido. Tuttavia, questa tecnologia è attualmente in fase di laboratorio. Se possa essere prodotto su larga scala rimane un’incertezza significativa. Indipendentemente da ciò, la scoperta dell’ossicloruro di litio e zirconio ha profonde implicazioni per la commercializzazione di batterie al litio completamente allo stato solido.
Nello scenario attuale, i tre principali elettroliti delle batterie a stato solido – polimeri, ossidi e solfuri – presentano tutti difetti intrinseci senza soluzioni immediate in vista. Ciò ha portato l’attuale produzione su piccola scala di batterie allo stato solido a non essere così economicamente vantaggiosa per l’integrazione nei veicoli come le loro controparti liquide. Tuttavia, l’ossicloruro di litio e zirconio recentemente sviluppato da ricercatori cinesi potrebbe solo far brillare un barlume di speranza, rivoluzionando potenzialmente il settore delle batterie a stato solido e affrontando l’ansia da autonomia associata alle batterie di nuova energia.
