Batteria allo stato solido: il futuro dei veicoli elettrici

Attualmente, l'ansia da autonomia rimane il principale ostacolo alla completa sostituzione globale delle auto a benzina con veicoli a energia rinnovabile. Sebbene molte case automobilistiche, come Tesla con il suo Supercharger V4 e Xpeng con il suo Supercharger S4, abbiano introdotto tecnologie di ricarica rapida, queste stazioni di ricarica non solo sono costose, ma non sono nemmeno ampiamente diffuse. Per affrontare davvero i problemi di autonomia, solo le batterie ad alta densità energetica possono offrire una soluzione.

Alla luce dei recenti sviluppi, negli ultimi anni Cina, Giappone, Corea del Sud ed Europa si sono concentrate sullo sviluppo di tecnologie allo stato solido. batterie con maggiore densità energeticaIn base alla scelta dell'elettrolita, queste regioni hanno adottato tre distinti percorsi tecnologici:

• Europa: si concentra principalmente sui polimeri (con una conduttività di circa 10-7-10-5S/cm) come elettrolita per le batterie allo stato solido. Tuttavia, a causa della bassa conduttività dei polimeri, le batterie allo stato solido prodotte in serie in Europa offrono un'autonomia inferiore rispetto alle batterie al litio liquido di pari capacità.
• Giappone e Corea del Sud: la loro attenzione principale è rivolta ai solfuri (con una conduttività di circa 10-3-10-2S/cm) come elettrolita. Sebbene questo materiale vanti una conduttività ideale, il suo complesso processo di fabbricazione e l'inclusione di metalli rari ne hanno ostacolato la commercializzazione.
• Cina: utilizzo prevalente di ossidi (con una conduttività di circa 10-6-10-3S/cm) come elettrolita. Data la rigidità e l'elevata porosità del materiale, che possono ostacolare il flusso regolare degli ioni, la tecnologia attuale richiede l'inclusione di un elettrolita, producendo una batteria allo stato semisolido. Questo, tuttavia, riduce la densità energetica della batteria. Di conseguenza, sebbene queste batterie allo stato semisolido a base di ossidi siano state integrate in modelli di fascia alta da aziende come NIO e Dongfeng, il loro rapporto costo-efficacia non è stato così sorprendente da giustificarne la 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 offrire all'industria una soluzione innovativa e fuori dagli schemi.

Pionieri europei: l'avventura del Gruppo Bolloré nella tecnologia delle batterie allo stato solido

Le aziende europee di energia pulita utilizzano principalmente polimeri come elettrolita nel loro impegno a promuovere la ricerca sulle batterie allo stato solido. Un attore di spicco in questo settore è il Gruppo francese Bolloré. Nel 2011, il Gruppo Bolloré, primo operatore al mondo a utilizzare batterie allo stato solido in un progetto di veicolo elettrico, ha presentato il suo veicolo elettrico sviluppato internamente, Bluecar. Questo veicolo era equipaggiato con una batteria allo stato solido ai polimeri di litio-metallo da 30 kWh, prodotta dalla sua controllata Batscap, con un'autonomia di 120 km.

Tuttavia, vale la pena sottolineare che la batteria allo stato solido ai polimeri di litio metallico del Gruppo Bolloré, con una capacità di 30 kWh, ha raggiunto un'autonomia di soli 120 km. Al contrario, la Model 3 di Tesla, dotata di una batteria liquida da 60 kWh, può raggiungere un'autonomia di oltre 400 km. Facendo i calcoli, un modello Tesla dotato di una batteria liquida da 30 kWh può superare i 200 km, superando nettamente la Bluecar di Bolloré.

La ragione principale della significativa riduzione dell'autonomia di Bluecar rispetto a Tesla, anche con batterie della stessa capacità, è la bassa conduttività delle batterie allo stato solido che utilizzano polimeri come elettrolita. Questa limitazione sottolinea anche perché, nonostante sia stata la prima in Europa a produrre in serie batterie allo stato solido, la sua adozione su larga scala rimane ancora lontana. Di fronte a questo collo di bottiglia, altre importanti aziende europee del settore dell'energia pulita hanno cercato strategie alternative: collaborando con aziende leader mondiali nel settore delle batterie allo stato solido per mantenere un vantaggio competitivo nel futuro settore delle batterie per autoveicoli.

Ad esempio, Volkswagen ha investito massicciamente in QuantumScape, azienda produttrice di batterie allo stato solido, quotata in borsa negli Stati Uniti. Alla fine del 2014, Volkswagen deteneva già 51.300.000 azioni QS. Nel 2018 e nel 2020, il Gruppo Volkswagen ha effettuato due investimenti separati in QS, versando 1.300 milioni di dollari ciascuno, diventandone il maggiore azionista.

Parallelamente, entrambe le aziende hanno anche costituito una joint venture con l'obiettivo di costruire una linea di produzione di batterie allo stato solido entro il 2025. Grazie a un significativo supporto finanziario, la tecnologia di QuantumScape ha continuato a progredire. Ad esempio, le precedenti batterie monostrato QS, a temperatura e pressione ambiente, potevano mantenere 90% della loro riserva di energia iniziale dopo 1.000 cicli di carica a una velocità di 1C. Ora, alle stesse condizioni, le loro batterie multistrato possono ancora mantenere 90% della loro riserva di energia dopo 800 cicli.

Tuttavia, ad oggi, QS non ha ancora lanciato batterie prodotte in serie, mentre le batterie allo stato solido dei concorrenti stanno gradualmente entrando nella produzione di massa, aumentando la pressione su QS. Allo stato attuale, sebbene l'Europa sia stata la prima a commercializzare le batterie allo stato solido, la bassa conduttività dei polimeri e le incertezze sulla redditività commerciale delle aziende in cui ha investito ne hanno rallentato l'avanzamento 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, un tempo considerati gli elettroliti più promettenti nelle batterie allo stato solido, presentano diversi vantaggi, come l'elevata conduttività e la malleabilità. Tuttavia, l'approccio tecnologico che prevede l'utilizzo dei solfuri come elettroliti comporta un processo produttivo più complesso. Ad esempio, durante il processo di fabbricazione, i solfuri possono reagire con l'acqua e l'ossigeno presenti nell'aria, producendo un gas altamente tossico, l'idrogeno solforato. Affrontare questo problema richiede un perfezionamento del processo produttivo, con conseguente aumento dei costi.

Per fare un balzo in avanti nella corsa all'energia, le aziende giapponesi e coreane del settore dell'energia pulita hanno mostrato una netta preferenza per l'utilizzo di solfuri come elettrolita nelle loro batterie allo stato solido. Questa complessità nelle procedure tecnologiche ha costretto queste aziende a intensificare la ricerca nel campo delle batterie allo stato solido, portandole ad accumulare un significativo portafoglio di brevetti tecnici.

Secondo i dati pubblicati da Nikkei Chinese Web in collaborazione con la società di analisi brevettuale Patent Result, dal 2000 alla fine di marzo 2022, le principali aziende produttrici di batterie per l'energia in termini di brevetti di batterie allo stato solido resi pubblici 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 aziende giapponesi concentrano la loro ricerca e sviluppo sulle batterie allo stato solido a base di solfuri, con Toyota al primo posto. Già il 22 giugno 2017, Toyota aveva presentato domanda di brevetto statunitense per una batteria allo stato solido che utilizzava solfuri come elettrolita.

Di recente, Toyota ha rivelato ai media di aver sviluppato una batteria allo stato solido in grado di garantire un'autonomia di 1.200 chilometri, con una ricarica in soli 10 minuti, e di voler immettere sul mercato veicoli dotati di queste batterie entro il 2025. Nonostante l'ambizione di Toyota di produrre in serie veicoli dotati di batterie allo stato solido che utilizzano solfuri come elettrolita, le complessità tecniche, unite agli elevati costi dovuti all'utilizzo di numerosi metalli rari, potrebbero ostacolarne l'adozione su larga scala.

Attualmente, il prezzo medio globale dell'elettrolita nelle batterie agli ioni di litio non supera $10/kg. Al contrario, il materiale primario per l'elettrolita solido solfuro, Li₂S, varia da $1.500 a $2.000/kg. Ciò significa che l'elettrolita solfuro costa oltre 150 volte di più dell'elettrolita utilizzato nelle batterie agli ioni di litio.

Sviluppo cinese delle batterie allo stato solido: gli elettroliti a ossido aprono la strada

Le aziende nazionali, rispecchiando le tendenze europee, utilizzano principalmente gli ossidi come elettrolita per promuovere la ricerca e lo sviluppo di batterie allo stato solido. Secondo dati incompleti, dopo il 2022 diverse case automobilistiche cinesi hanno iniziato a integrare batterie allo stato semisolido nei loro modelli. In particolare, modelli come l'ES6 di NIO, l'E70 di Dongfeng e la Zhui Feng di Lantu utilizzano prevalentemente batterie con elettroliti a base di ossidi.

Tuttavia, le batterie allo stato solido che utilizzano ossidi come elettroliti presentano una durezza intrinseca. Dato che le particelle di ossido si presentano in una forma puntiforme, le batterie allo stato solido risultanti non solo presentano una scarsa malleabilità, ma presentano anche un'elevata porosità. Questa struttura rigida può causare fratture dell'elettrolita, interrompendo la trasmissione ionica. L'elevata porosità può ostacolare i percorsi di trasferimento degli ioni all'interno del sistema di batterie. Di conseguenza, per garantire che le particelle di materiale attivo mantengano un contatto e una trasmissione ionica ottimali anche in caso di crepe o rotture, le batterie allo stato solido con elettroliti a ossido sono naturalmente adatte a un formato ibrido solido-liquido. Questo design ibrido integra sia lo strato di elettrolita a ossido solido sia un elettrolita liquido che riempie i pori, aggirando efficacemente i problemi sopra menzionati.

Tuttavia, le batterie allo stato solido che incorporano liquidi, a causa del loro ridotto contenuto di elettrolita solido, non godono dello stesso incremento di densità energetica delle batterie completamente solide. Ad esempio, la batteria allo stato semisolido dell'ES6 ha una densità energetica di 360 Wh/kg. Di conseguenza, sebbene le batterie allo stato semisolido cinesi siano state commercializzate, il loro modesto aumento di densità energetica, la minore conduttività rispetto al litio liquido e l'elevato costo degli elettroliti a ossido potrebbero relegarle a prodotti di transizione nell'evoluzione delle batterie.

Spostando l'attenzione, la recente scoperta dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina presenta un nuovo elettrolita allo stato solido: l'ossicloruro di litio e zirconio. Questo elettrolita innovativo offre prestazioni paragonabili ai più avanzati elettroliti allo stato solido a base di solfuri e ossidi, ma a un costo di appena 41 TP3T inferiore a quest'ultimi. Si tratta innegabilmente di uno sviluppo rivoluzionario nel settore cinese delle batterie allo stato solido.

L'introduzione dell'ossicloruro di litio e zirconio rappresenta una svolta simultanea in termini di prestazioni e costi degli elettroliti allo stato solido. Tuttavia, questa tecnologia è attualmente in fase di sperimentazione in laboratorio. La sua producibilità su larga scala rimane un'incertezza significativa. In ogni caso, la scoperta dell'ossicloruro di litio e zirconio ha profonde implicazioni per la commercializzazione di batterie al litio allo stato solido.

Nello scenario attuale, i tre principali elettroliti per batterie allo stato solido – polimeri, ossidi e solfuri – presentano tutti difetti intrinseci e non vi sono soluzioni immediate in vista. Ciò ha fatto sì che l'attuale produzione su piccola scala di batterie allo stato solido non sia economicamente conveniente per l'integrazione nei veicoli come le loro controparti liquide. Tuttavia, l'ossicloruro di litio e zirconio recentemente sviluppato da ricercatori cinesi potrebbe solo accendere un barlume di speranza, potenzialmente rivoluzionando il settore delle batterie allo stato solido e affrontando l'ansia da autonomia associata alle nuove batterie energetiche.

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