Pooja Vadhva 
Pranav Nagaveykar Pooja: Con una batteria agli ioni di litio convenzionale si hanno due elettrodi:un anodo e un catodo, e quando si scarica la cella, gli ioni di litio si muovono attraverso l'anodo e si intercalano nel catodo. Gli elettrodi riempiti con un elettrolita liquido e un separatore polimerico vengono utilizzati per prevenire il cortocircuito della cella. Gli elettrodi sono collegati a un circuito esterno attraverso il quale fluiscono gli elettroni e mentre si scarica la cella, viene emessa corrente, che viene utilizzata per alimentare un veicolo elettrico. In una batteria allo stato solido, il principio è lo stesso ma si rimuove il separatore e l'elettrolita liquido e si ha invece un elettrolita solido tra i due elettrodi. Un elettrolita solido può abilitare un anodo metallico al litio che ha dieci volte la capacità teorica di un anodo di grafite, raddoppiando la densità di energia della cella. Il litio metallico è altamente reattivo e può formare dendriti durante il ciclo che cortocircuitano la cella. Un elettrolita solido può prevenire meccanicamente la formazione di dendriti e aumentare la sicurezza della cella, poiché non hai un elettrolita liquido infiammabile.
Pranav: Le batterie allo stato solido sono fondamentalmente le batterie agli ioni di litio senza elettrolita liquido. L'elettrolita liquido viene sostituito da un elettrolita solido, motivo per cui queste batterie vengono chiamate batterie allo stato solido. Molte persone si confondono sul fatto che le batterie allo stato solido siano di tipo completamente diverso dalle batterie agli ioni di litio esistenti. Questo non è il caso. È solo che ora l'elettrolita liquido è stato sostituito da uno solido.
Batteria agli ioni di litio rispetto a tutte le batterie a stato solido Pranav: Come tutti sappiamo, tutti nel settore delle batterie lavorano continuamente per superare alcune delle principali sfide per la transizione dei veicoli elettrici come ottenere una maggiore densità di energia, meno tempo di ricarica, un ciclo di vita migliore, solo per citarne alcuni. Con i catodi di nuova concezione, una percentuale più alta di nichel, anodi incorporati in silicio, c'è stato un notevole miglioramento nella densità di energia di queste celle ma allo stesso tempo sono anche termicamente meno stabili. Inoltre, il miglioramento relativo dei tempi di ricarica è minore. Sembra che con le tradizionali celle agli ioni di litio ci stiamo avvicinando a un livello di saturazione rispetto a tutti questi parametri. Per ottenere una densità di energia ancora maggiore, una migliore stabilità termica e tempi di ricarica inferiori, dobbiamo passare a un nuovo tipo di tecnologia e credo che sia qui che entrano in gioco le batterie allo stato solido.
Pooja: Alcuni punti interessanti lì. Un'altra area in cui penso che le persone non prendano in considerazione è l'industria aeronautica, con una crescente enfasi sulla sostenibilità, e c'è interesse nell'uso di batterie allo stato solido per alimentare parzialmente o completamente i sistemi di propulsione elettrica sugli aerei, come durante il decollo o l'atterraggio. La NASA ha anche annunciato che produrrà batterie allo stato solido per una maggiore ricaricabilità e sicurezza, quindi questo è davvero promettente.
Pranav: Il principio di funzionamento di base delle batterie allo stato solido è lo stesso delle tradizionali batterie agli ioni di litio. Nelle batterie convenzionali agli ioni di litio, il litio nel catodo si divide in ioni di litio ed elettroni. L'elettrone viaggia attraverso la rete esterna mentre lo ione di litio nuota attraverso l'elettrolita liquido per raggiungere l'anodo. Per le batterie allo stato solido, è più o meno lo stesso. La domanda è:come spostiamo gli ioni dall'anodo al catodo e viceversa? Fondamentalmente usiamo qualcosa chiamato diffusione:trasferiamo le posizioni degli ioni di litio all'interno del reticolo dell'elettrolita solido, creiamo alcuni posti liberi all'interno dell'attuale struttura del reticolo in modo che gli ioni di litio possano "saltare" da una posizione del reticolo all'altra, passando dall'anodo a catodo e viceversa. Questa è l'unica differenza nella parte funzionante della batteria.
Pooja: La rimozione dell'elettrolita liquido e del separatore rende la batteria allo stato solido più compatta e con l'uso dell'anodo metallico al litio aumenta la densità di energia volumetrica. Gli ioni di litio che sperano attraverso il reticolo dell'elettrolita solido sono un processo relativamente veloce, ma si verificano anche problemi interfacciali con le batterie allo stato solido, perché si dispone di un'interfaccia solida all'anodo e al catodo, e questo può essere altamente resistivo, quindi è qualcosa da considerare ed è un'area di ricerca attiva per molti settori che stanno cercando di risolvere questo problema.
Pooja: Come una batteria agli ioni di litio, il catodo conterrà ancora cobalto, manganese e nichel; stiamo solo sostituendo l'elettrolita liquido.
Pranav: Sì, il catodo sarà lo stesso. C'è molta confusione sul fatto che le batterie allo stato solido non contengano cobalto, manganese e nichel, ma non è necessariamente vero. Esiste la possibilità di utilizzare catodi diversi, ma quelli attuali continueranno ad essere utilizzati anche con batterie allo stato solido.
Pooja: Un vantaggio con gli elettroliti solidi è che è possibile utilizzare catodi ad alta tensione, che hanno un contenuto di nichel più elevato e un contenuto di cobalto inferiore, e questo è un vantaggio ovviamente in termini di riduzione del cobalto poiché è prodotto per lo più in modo non etico, e anche di aumentare la densità di energia che è pari a la capacità moltiplicata per la finestra della tensione di esercizio. Il motivo per cui gli elettroliti solidi possono essere utilizzati con catodi ad alta tensione è che, poiché alcuni elettroliti solidi hanno una finestra di tensione operativa che è stabile tra 0 e 5 V, e 5 V è dove molti elettroliti liquidi iniziano presto a decomporsi (circa 3 -4 V). Ma con le batterie allo stato solido non è così chiaro di cosa saranno composti i materiali catodici. Se si utilizza un materiale senza cobalto, nichel o manganese come il catodo al litio ferro fosfato (LFP), questo è eticamente migliore, ma con EV poiché si desidera un catodo ad alta tensione per una maggiore densità di energia, questo dovrebbe essere a base di nichel.
Un altro punto è come classificare i materiali elettrolitici solidi; hai elettroliti inorganici e organici. Quest'ultimo usa comunemente una sorta di elettroliti polimerici, ma poiché la loro conduttività ionica è bassa non si tende a usarli per applicazioni EV. Quando si esaminano gli inorganici, tuttavia, ci sono molte classificazioni:le due principali sono i materiali di ossido e zolfo. Gli ossidi sono una ceramica dura e facilmente reperibile, ma bisogna sinterizzarli ad alte temperature da circa 1000 a 1200 o C e questo comporta molti costi. I prodotti chimici a base di zolfo sono materiali più morbidi, quindi non è necessario lavorarli a una temperatura così elevata, il che è un vantaggio, ma quando lo zolfo reagisce con l'umidità produce H2 S gas che è tossico, quindi queste cose devono essere considerate quando hai una linea di produzione, così come CO2 emissioni.
Pooja: Una riduzione dei tempi di ricarica; QuantumScape ha affermato che la sua cella può caricare all'80% della capacità in 15 minuti, che è molto meno rispetto allo standard del settore odierno, che è di circa 30-40 minuti, e uno dei motivi principali per cui puoi farlo è perché non c'è elettrolita liquido infiammabile in una batteria allo stato solido, quindi non devi pensare a un aumento della temperatura delle celle quando carichi a velocità più elevate.
Pranav: Come menzionato da Pooja, il tempo di ricarica rapido sarà un grande vantaggio con gli SSB. 80% in 15 minuti significa che avremo circa il 26% di carica in 5 minuti. Anche supponendo un'autonomia di 400 km, è come oltre 100 km in 5 minuti di ricarica rapida, il che sembra piuttosto impressionante. A parte questo, immagino che il miglioramento dell'imballaggio della batteria sia un altro vantaggio dal punto di vista dell'ingegneria del design.
QuantumScape ha impilato con successo le proprie celle a strato singolo e ora afferma che svilupperà celle per batterie a stato solido multistrato quando passerà alla produzione pilota
Pooja: È difficile da dire perché nessuno ha ancora fatto un pacchetto completo. Il riciclaggio in linea di principio dovrebbe essere possibile. Ma sarà conveniente estrarre i materiali attraverso il riciclaggio? In definitiva, dipende dalla chimica dell'elettrolita solido. La natura solida degli elettroliti solidi facilita l'estrazione dei componenti rispetto a un elettrolita liquido. E se viene utilizzato un elettrolita solido di zolfo, lo zolfo è molto economico, quindi potrebbe non essere efficace riciclarlo. Se viene utilizzato un elettrolita solido ceramico, che richiede un trattamento ad alta temperatura e quindi è costoso da produrre, potrebbe giustificare i costi di riciclaggio. È solo che non penso che queste cose siano state ancora completamente considerate poiché non abbiamo ancora un veicolo elettrico a batteria a stato solido.
Pranav: Esattamente. A parte la parte a elettrolita solido, il resto è uguale a una batteria convenzionale, quindi in termini di riciclaggio, dovrebbe continuare a progredire sulla stessa strada.
BASF costruirà un nuovo impianto prototipo per il riciclaggio delle batterie a Schwarzheide, in Germania
Pooja: Le batterie allo stato solido offrono una doppia densità di energia e sono intrinsecamente sicure. Il problema sono le sfide tecniche e il ridimensionamento di queste in celle di grande formato per veicoli elettrici in modo conveniente.
Pranav: In termini di progresso, le batterie allo stato solido (SSB) stanno affrontando problemi su più livelli. Da un punto di vista tecnico, gli SSB devono affrontare problemi con l'interfaccia elettrolita-elettrodo stessa, che è il contatto tra l'elettrolita solido e l'anodo e il catodo. L'interfaccia a cella solida crea molti problemi in termini di energia quando gli ioni scorrono. C'è anche un problema con lo stato meccanico. Gli elettroliti solidi possono rompersi sotto la pressione delle celle impilate durante la creazione di un pacco batteria. Poi c'è il problema della commercializzazione per adattare queste batterie ai volumi di produzione.
Pooja: Sono d'accordo sul fatto che la produzione potrebbe essere diversa, ma non lo vedo come un grosso problema. Non puoi davvero realizzare batterie a stato solido come una cella cilindrica in quanto non sono sufficientemente flessibili per avvolgersi in un formato cilindrico. Quindi le attuali linee di produzione di batterie agli ioni di litio dovrebbero adattarsi alle celle a sacchetto. Ma c'è un vantaggio in questo perché se puoi eliminare l'uso di moduli che sono costosi e inserire direttamente le celle nei pacchetti, sì, potresti dover cambiare il formato della cella, ma guadagnerai in termini di riduzione di peso e costi.
A lungo termine, il problema più grande è la pressione e il problema dei dendriti. L'elettrolita solido di cui abbiamo parlato in precedenza funge anche da barriera che impedisce ai dendriti di litio di passare tra gli elettrodi e causare un cortocircuito. Applicando la pressione dello stack, la formazione di dendriti può essere ridotta fornendo un migliore contatto interfacciale. Anche QuantumScape, che ha affermato che la sua batteria risolve tutte le sfide principali che hanno afflitto le batterie a stato solido, come la breve durata e la bassa velocità di ricarica, continuano a ciclare le celle a una pressione atmosferica di 3,4. Possiamo farlo su un veicolo in movimento? Spesso 1 MPa viene segnalato come una pressione praticabile per un veicolo elettrico e quindi dovremmo mirare a questo. Abbiamo bisogno delle stesse prestazioni delle celle per le batterie allo stato solido, ma sotto una pressione realistica che potremmo applicare semplicemente impilando le celle.
Se stai usando un elettrolita di zolfo, c'è ancora un problema in un incidente con lo zolfo esposto all'aria e causando il rilascio di gas tossici. Gli elettroliti di ossido non producono tali gas tossici, ma richiedono temperature elevate per la sinterizzazione che è costosa. Quindi, esiste un compromesso tra la temperatura di sinterizzazione dell'elettrolita ridotta per gli elettroliti di zolfo e il costo associato alla costruzione di camere sensibili all'umidità.
L'altro problema è costruire abbastanza gigafabbriche per ridurre i costi complessivi di produzione delle batterie allo stato solido poiché saranno più costose degli ioni di litio anche se i costi della chimica iniziale sono inferiori.
Ricarica elettrica pura Volvo C40 e XC40 presso una stazione di ricarica Pranav: Sembra giusto con lo stato attuale. Non è ancora disponibile un vero e proprio modello in scala reale. La parte della commercializzazione può dipendere da come si adattano le produzioni di queste cellule.
Pooja: Dire se si tratta in particolare degli anni 2030 o 2034 è molto difficile perché queste aziende stanno esaminando diversi materiali elettrolitici solidi e tutti i costi associati e la linea di produzione saranno diversi, quindi è troppo presto per dirlo ma non li vedo più economici rispetto alle batterie agli ioni di litio prima di questo periodo.
Pooja: Sì, in realtà hanno un vantaggio perché non sono infiammabili, quindi puoi portarli a temperature più elevate e anche a temperature più basse dove sembrano formarsi i dendriti. Quindi, sebbene il pacchetto sia leggermente più costoso, può essere utilizzato in più applicazioni come veicoli aerospaziali o ad alte prestazioni che potrebbero richiedere un intervallo di temperatura elevato durante il funzionamento. Man mano che i veicoli elettrici diventano popolari, le aziende possono ottenere economie di scala aumentando la produzione e abbassando i costi.
Pranav: Sì, questo è uno dei principali punti salienti delle batterie allo stato solido. Ampia gamma di temperature.
Pranav: Sì. non necessitano di costosi sistemi di raffreddamento. È possibile che non richiedano alcun sistema di raffreddamento. Inoltre significa che i produttori di veicoli elettrici possono utilizzare quello spazio per inserire più batterie o imballare le dimensioni della batteria esistente in modo più efficiente.
Pooja: Sì esattamente, e anche questo può aiutare a ridurre i costi di produzione.
Pranav: Veicoli elettrici per passeggeri, ci sono molte ricerche in corso in termini di aviazione, come abbiamo detto, quindi potrebbe emergere come una delle applicazioni, ma da quello che ho letto, li vedremo prima nei veicoli elettrici.
Pooja: Sì, sono d'accordo, ma probabilmente direi veicoli elettrici più lussuosi, a causa del costo. Qualsiasi applicazione in cui la sicurezza e la densità di energia sono fondamentali e il costo non è un problema, è lì che lo vedremo prima, quindi l'aviazione come ha affermato Pranav. Direi che per le applicazioni su scala di rete o marine in cui si desidera che le batterie siano molto economiche e non importa la densità di energia o le dimensioni, le industrie non guarderanno allo stato solido.
Pranav: Tutte le case automobilistiche devono stabilire una sequenza temporale per qualsiasi progetto e il 2025 è un obiettivo aggressivo, sebbene del tutto possibile per una demo, ma non vedo che la produzione sia pronta per allora.
Pooja: Direi che da un punto di vista accademico, dobbiamo prima risolvere il problema dei dendriti. Diciamo che prendiamo la parola di QuantumScape che hanno risolto il problema dei dendriti, e quindi al momento hanno una cellula a dieci strati che farà parte di una singola cellula del sacchetto. I loro test di ciclismo iniziali sono stati eseguiti su una cella a strato singolo, quindi devono riprodurre questi risultati sulla loro cella a dieci strati. Una volta che la cella a dieci strati si comporta bene, devono integrare queste celle a sacchetto in un pacco, che durerà da uno a due anni, quindi dovranno provarlo in un prototipo di veicolo e in tandem costruire una linea di produzione. In primo luogo, dovremmo vedere se, una volta inserito in un pacchetto completo, ottengono le prestazioni di cui hanno bisogno per vedere se vale la pena ridimensionare per le gigafactory.
Solid Power è un'altra azienda che ha realizzato una cella a sacchetto da 2Ah e attualmente sta producendo 20Ah. Anche se i tempi sono piuttosto lontani, penso che nel prossimo anno o due saremo in grado almeno di sapere se questo sarà commerciale e integrato nei veicoli elettrici con i problemi di cui sopra risolti. È allora che sarà il momento di emozionarsi, ma non è lontano:passare dai laboratori alla produzione e, se dimostra il suo valore, con abbastanza soldi e investitori, per realizzare rapidamente impianti di linea di produzione.
Il BMW Group e Ford mirano a utilizzare la tecnologia delle batterie a stato solido a basso costo e ad alta energia di Solid Power nei prossimi veicoli elettrici Pooja: Penso che siano necessari entrambi, e nei casi di applicazioni superiori come veicoli elettrici ad alte prestazioni/di lusso in cui le prestazioni e la sicurezza sono fondamentali avremo lo stato solido, ma non vedo che gli ioni di litio spariranno presto, è abbastanza economico e per cose come i sistemi di accumulo di energia, è perfetto, grazie alla loro risposta rapida, modularizzazione e installazione flessibile.
Pranav: Sono anche d'accordo con Pooja, almeno per i prossimi decenni e fino a quando i costi delle batterie allo stato solido non scenderanno, le vedremo entrambe utilizzate. E in termini di dichiarazione di VW, penso che potremmo vedere un aumento dell'autonomia fino al 50%.
Pooja: Sono parecchi, c'è Samsung, che ha collaborato con Toyota. Honda e Nissan, poi c'è Solid Power in cui BMW e Ford sono fortemente investiti, che usano un elettrolita di zolfo che è diverso da QuantumScape che usano un elettrolita ceramico. Solid Power sta anche cercando di avere un anodo di silicio, il che è interessante poiché l'industria utilizza principalmente anodi di litio. C'è Solid Energy Systems con cui General Motors sta collaborando e utilizzano un sistema di elettroliti ibrido:un elettrolita polimerico solido per proteggere l'anodo di litio ma ha un elettrolita liquido.
