Diamo per scontata gran parte della tecnologia che ci circonda. Ad esempio, i microcomputer per telefoni che funzionano senza ricaricare tutto il giorno. Ma voglio che il telefono funzioni per 3-4 giorni senza ricaricare. Oppure un'auto elettrica che può percorrere 1000 chilometri, caricarsi in pochi minuti... e costare meno di un'auto con motore a benzina. Si è parlato molto di batterie allo stato solido nel corso degli anni, ma come stanno andando le cose adesso? E quanto ancora dobbiamo aspettare fino a batterie allo stato solido finire all'interno dei nostri dispositivi?
L'esempio più recente è Toyota, che ha annunciato un'auto a batteria a stato solido durante le Olimpiadi invernali. Le batterie agli ioni di litio che utilizziamo oggi, per quanto grandi siano, presentano alcuni inconvenienti che le batterie a stato solido cercano di risolvere.
Cosa hanno in comune?
Entrambi i tipi utilizzano il litio per produrre elettricità e la loro struttura generale è abbastanza simile. In poche parole, hanno un anodo (elettrodo negativo), un catodo (elettrodo positivo) e un elettrolita.
La loro principale differenza sta nello stato dell'elettrolita, che aiuta a trasferire ioni dal catodo all'anodo durante la carica e viceversa durante la scarica. In altre parole, l'elettrolita regola il flusso di corrente elettrica tra i lati negativo e positivo della batteria. Mentre le batterie agli ioni di litio utilizzano elettroliti liquidi, le batterie allo stato solido, come suggerisce il nome, utilizzano strati sottili di elettrolita solido.
Perché questo è importante?
Gli elettroliti solidi presentano una serie di vantaggi significativi:
- Sicurezza: pagelettroliti acidi volatile e si accendono facilmente ad alte temperature. A differenza di loro, gli elettroliti solidi sono più stabili e riducono il rischio di incendio o esplosione.
- Più alto densita 'energia e tempi di ricarica più rapidi: puna maggiore stabilità significa che le batterie a stato solido possono immagazzinare il 50% in più di energia rispetto alle loro controparti agli ioni di litio, mentre si prevede che raggiungano l'80% di carica entro 12 minuti.
A sinistra vediamo la struttura di una batteria agli ioni di litio e a destra la struttura di una batteria a stato solido.
3. Peso e dimensioni più leggere: mentre il liquido all'interno delle batterie agli ioni di litio le rende più pesanti, la struttura compatta delle batterie allo stato solido consente una maggiore densità di energia per unità di superficie, il che significa che sono necessarie meno batterie.
Le batterie allo stato solido sostituiranno le batterie agli ioni di litio?
In teoria sì, o almeno è lì che vanno le cose. In effetti, molte case automobilistiche stanno già investendo in questa tecnologia, tra cui Volkswagen, Toyota, Ford e BMW. Tuttavia, in pratica, le celle delle batterie allo stato solido vengono prodotte una ad una nei laboratori, e per portarle alla produzione di massa - un compito costoso e ancora insufficientemente sviluppato.
È difficile sviluppare un elettrolita solido che sia stabile, chimicamente inerte e un buon conduttore di ioni tra gli elettrodi. Inoltre, gli elettroliti sono troppo costosi da produrre e tendono a rompersi a causa della loro fragilità quando espansi e compressi durante l'uso. Ma forse quando le batterie agli ioni di litio diventeranno gradualmente più convenienti, accadrà.
Quali studi sono già stati fatti?
Negli ultimi anni sono stati condotti molti studi interessanti, che miravano a risolvere questo problema. I ricercatori del MIT hanno sviluppato i cosiddetti conduttori misti ione-elettroni (MIEC), nonché isolatori elettronici e agli ioni di litio (ELI). È un'architettura cellulare tridimensionale con tubi MIEC su scala nanometrica. I tubi sono pieni di litio, che forma l'anodo. Una parte fondamentale di questa scoperta è che la struttura cellulare consente al litio di espandersi e contrarsi durante la carica e la scarica. Questo "respiro" della batteria previene le crepe. Il rivestimento dei tubi ELI funge da barriera proteggendoli dall'elettrolita solido. Questa è la struttura di una batteria a stato solido, che ci risparmia dalla necessità di aggiungere qualsiasi liquido o gel, e quindi ci permette di evitare i dendriti.
Una società ha chiamato Sistemi di accumulo di ioni ha sviluppato un elettrolita ceramico ultrasottile di circa 10 micrometri di spessore, circa lo stesso spessore dei moderni separatori di plastica che utilizzano elettroliti liquidi. Ciascun lato dell'elettrolita ceramico è rivestito con uno strato super sottile di ossido di alluminio che aiuta a ridurre la resistenza. Il prototipo della batteria ha una capacità energetica di circa 300 Wh/kg e può essere ricaricata in 5-10 minuti. Per fare un confronto: le moderne batterie NCA raggiungono una capacità energetica di circa 250 Wh/kg.
Alla mostra CES quest'anno Mecedes ha presentato la concept car AVTR, realizzata con materiali ecocompatibili, che ha anche una batteria completamente riciclabile. In un'intervista, Andreas Hintennach, Senior Battery Research Manager di Mercedes, ha dichiarato che la tecnologia delle batterie è attualmente in fase di test di laboratorio e sarà pronta tra 10-15 anni. Anche CATL (il partner cinese di Tesla per le batterie) ha sviluppato una batteria a stato solido campione, ma ha riferito che non arriverà sul mercato fino al 2030.
È prevista una produzione continua di batterie allo stato solido sarà risolto dal 2025, ma inizialmente non nel settore automobilistico.
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